電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告電子信息工程電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、前言本課題主要研究的是基于DSP芯片和單片機(jī)的交流電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與應(yīng)用。該設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、操作方便、成本低廉等特點(diǎn)，著重介紹其硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。利用單片機(jī) 的控制運(yùn)算功能，以軟件代替硬件電路，用軟件計(jì)算分析出各種有效值，使硬件 電路大大簡(jiǎn)化。電能是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中的主要能源之一，在現(xiàn)代社會(huì)中起著越來(lái) 越重要的作用。電能和其他商品一樣，要經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、銷(xiāo)售和消費(fèi)。點(diǎn)能表是計(jì)量 電能的一種儀表，其準(zhǔn)確度關(guān)系到電能生產(chǎn)者和消費(fèi)者的切身利益，影響著電能 管理的效率和科學(xué)化水平。于是，電量測(cè)

2、量?jī)x隨之而產(chǎn)生，成為計(jì)量單位和供電 部門(mén)重要的測(cè)試儀器。電量測(cè)量?jī)x器的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)階段:指針式儀表，數(shù)字測(cè)量?jī)x表，智 能儀器，本文設(shè)計(jì)基于AT89C52單片機(jī)的智能電量測(cè)量?jī)x器。電量測(cè)量與各個(gè)學(xué)科、各個(gè)行業(yè)的關(guān)系十分密切。電量測(cè)量是獲取信息的重 要手段，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域有極為廣泛 的應(yīng)用。電量測(cè)量技術(shù)和電子儀器早已成為一種各行各業(yè)所需的通用技術(shù)和通用 設(shè)備。同時(shí)它還是一個(gè)把電子、計(jì)算機(jī)、通信與控制等電子信息專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng) 用在測(cè)量科學(xué)技術(shù)中，而形成的一個(gè)獨(dú)具特色的學(xué)科。其特點(diǎn)是綜合性強(qiáng)、實(shí)踐 性突出、應(yīng)用面廣泛。我們通過(guò)對(duì)電量測(cè)量的學(xué)習(xí)，不僅能獲得電子

3、測(cè)量技術(shù)和 儀器方面的基礎(chǔ)知識(shí)和掌握一門(mén)通用技術(shù)，而且可以培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力與實(shí)踐能 力1-。2、主題2.1研兗背景及意義單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮 寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU 的專用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一 個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè) 備當(dāng)中。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等 優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、 頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、

4、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理 量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起 采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分 析儀）。DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯 片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流 水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的

5、數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)。（4）具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)有：大規(guī)模集成性、穩(wěn)定性好、精度高、可編程性、高速性 能、可嵌入性以及接口和集成方便。DSP的芯片的缺點(diǎn)有：成本較高、高頻時(shí)鐘的高頻干擾、功率消耗較大等。DSP芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：信號(hào)處理、圖像處理、儀器、聲音語(yǔ)言、控制、 軍事、通訊、醫(yī)療、家用電器等6-。 2.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)單片機(jī)的使用現(xiàn)狀，基本上還以51系列為主的。其實(shí)這很普

6、遍，51系列單片機(jī)在國(guó)內(nèi)的根基非常深厚，普通學(xué)校的教學(xué)一般還是以51作為 基本教材，51系列芯片本身也在不斷的變化和發(fā)展。隨著市場(chǎng)的分工和產(chǎn) 品設(shè)計(jì)所需求，PIC單片機(jī)在國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)中的認(rèn)知度提高的很快，其使用范圍和市場(chǎng)占有率也隨之迅速上升。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個(gè)方向發(fā)展；這三個(gè)方向就是：巨型化，單 片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理的仍然是巨型機(jī)在起作用， 故而，巨型機(jī)在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，Intel 公司就給其單片機(jī)取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。單片 機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備

7、中。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò) 不可能做到的。數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級(jí)以及制造 工藝上。在這幾方面，較為典型地說(shuō)明了數(shù)字單片機(jī)的水平。在目前，用戶對(duì)單 片機(jī)的需要越來(lái)越多，但是，要求也越來(lái)越高。下面分為三個(gè)方面說(shuō)明單片機(jī)的 技術(shù)進(jìn)步狀況。（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)步單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來(lái)越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例 如：定時(shí)器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D /A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電 路，LCD控制器等。有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部 網(wǎng)絡(luò)控制模塊 CAN。例如，Infineon 公司的 C 505C，C515C，C167

8、CR，C167CS-32FM， 81C90； Motorola公司的68HC08AZ系列等。特別是在單片機(jī)C167CS-32FM中， 內(nèi)部還含有2個(gè)CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系 統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。為了能在變頻控制中方便使用單片 機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專門(mén)用于變頻 控制的脈寬 調(diào)制控制電路，這些單片機(jī)有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860 系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在這些單片機(jī)中，脈寬調(diào)制電 路有6個(gè)通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控

9、制等功能。（2）功耗、封裝及電源電壓的進(jìn)步現(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來(lái)越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方 式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式Philips公 司的單片機(jī)P87LPC762是一個(gè)很典型的例子，在空閑時(shí)，其功耗為1.5 mA，而 在節(jié)電方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人驚嘆的是TI公司的單片 機(jī)MSP430系列，它是一個(gè)16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方 式有LPM1、LPM3、LPM4三種。當(dāng)電源為3V時(shí)，如果工作于LMP1方式，即使外 圍電路處于活動(dòng)，由于CPU不活動(dòng)，振蕩器處于14MHz，這時(shí)功耗只有50A。 在LPM3時(shí)，振

10、蕩器處于32kHz，這時(shí)功耗只有1.3A。在LPM4時(shí)，CPU、外圍及 振蕩器32kHz都不活動(dòng)，則功耗只有0.1A。（3）工藝上的進(jìn)步現(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用CMOS技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了 0.6nm以上的光 刻工藝，有個(gè)別的公司，如Motorola公司則已采用0.35nm甚至是0.25nm技術(shù)。 這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性。單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢(shì)下，表現(xiàn)出幾大趨勢(shì)：可靠性及應(yīng)用越來(lái)越水平高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。所集成的部件越來(lái)越多；NS （美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體）公司的單片機(jī)已把語(yǔ)音、圖 象部件也集成到單片機(jī)中，也就是說(shuō)，單片機(jī)的意義只是在于單片集成電路，而 不在

11、于其功能了；如果從功能上講它可以講是萬(wàn)用機(jī)。原因是其內(nèi)部已集成上各 種應(yīng)用電路。功耗越來(lái)越低和模擬電路結(jié)合越來(lái)越多。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，單片機(jī)還會(huì)不斷產(chǎn)生新 的變化和進(jìn)步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來(lái)越小，甚 至難以辨認(rèn)。70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕 生標(biāo)志著DSP芯片的開(kāi)端。隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，高速實(shí)時(shí)數(shù)字信 號(hào)處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，在80年代初至今的十 幾年中，DSP芯片取得了劃時(shí)代的發(fā)展。從運(yùn)算速度看，MAC（乘法并累加）時(shí) 間已從80年代的400 ns

12、降低到40 ns以下，數(shù)據(jù)處理能力提高了幾十倍MIPS （每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令）從80年代初的5MIPS增加到 現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%， 片內(nèi)RAM增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工 藝看，80年代初采用4um的NMOS 工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64 個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應(yīng)用的靈活性增加，使 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和各個(gè)處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn) 在的DSP芯片有浮點(diǎn)和定點(diǎn)兩種數(shù)據(jù) 格式，浮點(diǎn)DSP芯片能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，使 運(yùn)算

13、精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP 芯片有了很大程度的下降。在DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)方面，軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具不斷完 善。目前某些芯片具有相應(yīng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲(chǔ)器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和DMA的訪問(wèn)及程序 的單部運(yùn)行和跟蹤等，并可以采用高級(jí)語(yǔ)言編 程，有些廠家和一些軟件開(kāi)發(fā)商為DSP應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備了通用的函數(shù)庫(kù)及各 種算法子程序和各種接口程序，這使 得應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)更為方便，開(kāi)發(fā)時(shí)間大大 縮短，因而提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。目前各廠商生產(chǎn)的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、 AT&T公司的DSPX系列、Motolora公

14、司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos 公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和 高速實(shí)時(shí)處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載 人航天領(lǐng)域設(shè)備測(cè)量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面 的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各 類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開(kāi)發(fā)手段在不斷完善。 這樣為實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用一一尤其是在載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更 為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)對(duì)載人航 天信

15、號(hào)處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響10-163總結(jié)綜上所述，基于DSP芯片和單片機(jī)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究是有它的 巨大意義的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng) 溫度范圍寬、易擴(kuò)展、多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。DSP 芯片具有大規(guī)模集成性、穩(wěn)定性好、精度高、可編程性、高速性能、可嵌入性以 及接口和集成方便等優(yōu)點(diǎn)。再加上在當(dāng)代社會(huì)，電量測(cè)量技術(shù)又對(duì)我們是很重要 的一門(mén)技術(shù)而且它和我們的日常生活有很密切的關(guān)系。因此這三者的結(jié)合，定會(huì) 對(duì)我國(guó)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，而作為當(dāng)代大學(xué)生，我們更能夠從中學(xué)到很多知 識(shí)和技術(shù)。4參考文獻(xiàn)何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:

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