汽车电子钟设计f4综述.docx
《汽车电子钟设计f4综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电子钟设计f4综述.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
汽车电子钟设计f4综述
江苏广播电视大学五年制（高职）
毕业设计任务书
设计课题汽车电子钟设计
学校江苏广播电视大学
年级0606
专业汽车检测与维修
姓名赵晓东
学号0602170120
指导教师胡昊职称
二○一一年三月
题目：
汽车电子钟设计
专业班级：
汽车检测与维修0606班
姓名：
赵晓东
指导教师：
胡昊
江苏广播电视大学
摘 要
摘要太简单，应包括研究目的，研究内容，解决了什么主要问题，取得的实验结果，社会与经济效果（应该有半页纸）
传统汽车电子钟，其电子信号的产生通常通过频谱搬移的方法，这造成了系统复杂，性能不佳，价格昂贵等缺点。
本文研究并设计了一种新颖的低频电子系统。
系统通过单片机C8051F020控制直接频率合成（DDS）芯片AD9851直接产生电子信号、通过被测网络后再由单片机A/D转换进行峰值采样，最后对数据处理后由液晶输出电子曲线。
系统简化了设计，也解决了传统电子仪性能不佳的问题。
通过此课题的研究，基本掌握了汽车电子钟的设计方法，以及对调试过程中常见故障的分析和排除，为进一步学习和开发同类仪器铺平道路。
关键词：
单片机；直接频率合成（DDS）；A/D转换；液晶显示；低频电子
目录
摘 要I
ABSTRACTII
目录III
图表目录IV
第一章绪论1
1.1概述1
1.2项目要求1
1.3汽车电子钟简介2
第二章系统的硬件设计4
2.1系统的总体设计4
2.2系统设计的方案分析4
2.2.1电子信号的发生5
2.2.2电子信号的处理5
2.3系统硬件设计6
2.3.1汽车主控电路6
2.3.2人机接口电路设计7
2.3.3正弦波电子信号产生电路8
2.3.41M低通滤波电路11
2.3.5系统稳压电源电路11
第三章软件系统分析与设计13
3.1软件的基本结构13
3.2人机对话模块14
3.3正弦信号电子模块15
第四章结论18
参考文献19
致谢20
图表目录
图1.1简易频率特性测试仪方框图1
图1.2传统的电子仪原理2
图1.3传统电子信号发生器3
图1.4超外差接收机原理3
图2.1汽车电子钟的总体设计图4
图2.2 DDS正弦波发生器框图5
图2.3微处理器控制接口框图6
图2.4汽车主控电路框图7
图2.5液晶接口电路7
图2.6键盘接口电路8
图2.7AD9851内部结构图9
图2.8单双极性变换电路11
图2.91M低通滤波电路11
图2.10±5V电源电路12
图3.1主程序流程图13
图3.2主菜单界面15
图3.3并行通信时序图16
第一章绪论
1.1（概述）
当今世界，电子科技飞速发展，数字化、网络化、信息化，影响着人们的衣、食、住、行。
但现有电子科研实验室缺少频率在1MHz以下的电子仪器，严重阻碍了科研人员的创作速度。
传统汽车电子钟的不足主要是获得低频信号的手段是通过频谱搬移的方法，这造成了系统复杂，性能不佳，价格昂贵等缺点。
为此，本文设计提出了一种新颖的汽车电子钟，该汽车电子钟的特点是频带足够宽，可覆盖超低频和低频段，并能保证幅度稳定，线性良好。
而且把智能仪器的概念引入设计中，使其操作简单，易于使用。
本文针对传统电子仪在低频段的缺陷，在电子源部分抛弃了频谱搬移的方法，采用了直接产生低频超低频信号的器件，可获得性能优异的低频、超低频的电子信号：
在峰值采样部分利用数字方法代替模拟方法，并借鉴逐次比较型A/D的思路，解决了高频段和低频段在进行峰值采样时所发生的矛盾。
在进行总体设计时，把智能仪器的概念引入该项目，利用微处理器的强大功能进行系统管理，使智能型电子仪的操作简单易用，减少了人为误差发生的可能性。
显示部分采用液晶显示仪，降低了功耗，便于携带。
频率范围：
0.2Hz-200KHz。
幅度要求：
在整个频率范围内，幅度保持不变。
智能要求：
操作方便，能够进行较复杂的数据处理[1]。
1.2（汽车电子钟简介）
由信号与系统的理论可知，每一个系统给予某一种的激励（输入），它将完成某一种既定的功能（输出）。
对于线性时不变系统（现实情况大多基本满足或近似满足），它的既定功能是确定的，并具有以下性质：
当某一频率的信号通过某个线性时不变系统时，频率不受系统的影响，幅度和相位根据系统对此频率的而交化，这种幅度和相位的交化我们称其为该系统的频率响应。
当将一变频信号输入某一系统，根据其频率响应我们可获得该系统的很多有用信息。
电子测量技术是根据以上原理而发展起来的。
对于某个系统，我们用某种方法测出所关心频段的频率响应，则对此系统在此频段的性质也就一清二楚了。
电子测量技术应运而生，我们把能够实现电子测量功能的设备或仪器成为电子仪。
电子测量技术的发展，是和电子装置、电子方式的发展有很大的关系。
在最初，电子测量时采用点截法（离散法或静态法）测量时，采用电压表作为接收信号指示器，把频率由低调高，由电压表读出数值，然后手工画出曲线。
在五十年代出现连续的（动态法）电子测量技术。
使信号的频率在某一个频段内连续周期性变化，然后取出包络，在显示器件（一般为示波器）上显示[1]。
其基本原理为如图1.2所示。
图1.2传统的电子仪原理
动态法最早的测量装置所使用的电子方式是机械电子，用一个小马达带动振荡器振荡回路中可变电容器或带动机械调谐的速调管，以改变振荡器的振荡频率实现电子。
到了六十年代则以铁氧磁电子为主，在微波电子测量中，电压调谐的返波管代替了机械调谐的速调管。
七十年代初期，电子方式已转向变容二极管电子，出现了固态微波电子信号源。
返波管因其寿命有限，己经很少采用。
现在电子测量所使用的电子方式，基本上是变容管电子和高导磁率的YIG小球磁电子。
现在电子测量装置，已向着一机多能的方向发展。
如兼有电子仪和频谱仪功能的电子频谱仪。
超低频、低频网络或部件在航天、航空、地震、生物医疗等方面有着较广泛的应用，如医疗上，低频脉冲治疗机频率可低至0.1Hz以下，心电图机的频率响应需在0.1Hz-40Hz左右，并且对于甚低频标准信号有着更广泛的应用。
因此，汽车电子钟显得十分重要。
汽车电子钟电子范围要求电子仪的电子信号振荡器必须有良好的性能。
传统的汽车电子钟采用频谱搬移的方法，电子源低端频率很难达到0.2Hz，电路结构复杂。
其电子信号发生器如图1.3所示。
图1.3传统电子信号发生器
图中的固定振荡器和电子振荡器都工作在高频，为了得到性能良好的低频电子信号，对这两类信号和低通滤波器的性能指标为：
（1）定频信号：
对ω
的稳定度指标非常严格，基本要求不变；
（2）可变频信号：
ω的变化范围要求非常小，并且ω的中心频率要求等于ω
；
（3）低通滤波器要求导通段频率响应变化很小，导通段和截止段的过渡变化很快。
以上要求是非常苛刻的，两高频振荡器的频率很接近，没有特殊措施的情况下，容易产生频率牵引，造成频率精度差，电子宽度也受到限制。
并且此方法的后级显示也很复杂，因为低频载波信号的包络频率与载波频率接近，很难用常规方法检波，必须采用超外差接收机形式[2]。
原理如图1.4所示。
图1.4超外差接收机原理
综上所述，传统的汽车电子钟的电路结构极其复杂、造价高且性能差、精度低。
按照此思路，即使采用先进数字集成电路和频率合成技术也难使其结构简化、性能提高。
1.3项目研究内容与章节安排
一、基本要求
1、基本测试频率范围1KHz—10KHz，能测出±3dB带宽。
LED（或LCD）显示，测量精度大于10%。
2、能够测量被测电路的电压传输增益（所测电压增益范围为-20—+20dB之间），并显示该增益数字，测量精度大于10%。
（注：
被测量电路输入信号是周期正弦波信号、幅度通常在100mV到1V之间选择，增益测试通常在电路的中心频率上进行）
发挥部分：
1、能够测试出被测电路频率响应图形并用LCD液晶显示；
2、测试频率范围扩大至20KHz—50KHz。
二、项目设计基本思想
设计一个简易电路频率特性测试装置，参考示意图如图1.1所示：
需要进一步描述
图1.1简易频率特性测试仪方框图
三、章节安排
每章内容简单介绍
第二章系统的硬件设计
2.1系统的总体设计
汽车电子钟的总体设计如图2.1所示。
由图可见，汽车电子钟分为三大功能块：
数控电子仪、微处理器和人机界面。
整个系统实现的功能为：
（1）用户从人机界面的键盘处输入指令对电子仪进行设置。
（2）微处理器在获取指令之后，对指令进行处理，首先判断指令是否输入正确，如不正确，回到
（1）。
如正确，进行计算以获取测量所需数据。
（3）微处理器根据计算所得数据，对数控电子仪进行电子控制，并获取电子测量的结果。
（4）在完成测量之后，微处理器对测量结果进行处理，并把处理结果送入人机界面中的液晶显示仪中进行图形显示。
图2.1汽车电子钟的总体设计图
2.2系统设计的方案分析
对智能型汽车电子钟而言，数控电子仪为智能型汽车电子钟的核心。
它由电子源、峰值采样、输入输出三个部分构成。
根据第一章的系统分析可知，传统电子仪的电子源采用频谱搬移的方法，低频段的性能不佳。
按频谱搬移的思路设计，由于器件的物理特性的关系，改进的余地不大。
并且按此思路构造的电路结构复杂，器件众多，系统误差大，不利于数字化控制。
我们抛弃了频谱搬移的方法，利用DDS芯片AD9851可直接产生低频信号，此举可使低频信号稳定，并且精度很高。
如要满足测量仪器部分可控化的要求，则需要转换电子源的模拟设计思路，由模拟设计方式转换为数字设计方式。
即电子仪的频率变化不是连续的，而是离散的（对应于第一章中的点测法）。
由于微处理器的介入，使得点测法中的手工调整频率和手工绘制频谱图改为机器操作，大大的减小了人为误差。
此举可能会带来部分系统误差，但只要频率间隔足够小，这部分系统误差是非常小的；虽然此处付出的系统误差增大的代价，但可以使输入输出部分和峰值采样部分的系统误差大幅度降低，导致整个仪器的系统误差减小[3]。
因此，系统的电子信号我们由DDSAD9851产生并由单片机C8051F020进行峰值采样。
2.2.1电子信号的发生
（1）正弦信号发生器
主要有以下三种方案：
1）由可控振荡器（MAX038），数控电流源（MX7541及其附属器件），数控锁相环路（MC145151）,系统频段切换要由处接振荡电容完成，不易控制且系统复杂。
2）锁相频率合成技术（PLL），PLL方式杂散小，易集成，但存在高分辨率与高转换速度之间的矛盾，相位噪声高，一般只能用于大步进的频率合成器。
3）直接式数字频率合成技术（DDS），DDS方式较前两种频率合成技术，具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高（与晶振一致）、输出相位连续、相位噪声低、可编程、频率步进小、全数字化、功耗低等优点。
运用DDS技术合成正弦信号源是目前频率合成领域中最为先进的技术。
本系统正弦信号发生器采用该方案。
其框图如图2.2所示。
图2.2 DDS正弦波发生器框图
2.2.2电子信号的处理
为了保证峰值采样的精度，在被测信号的一个周期内必须有足够多的采样点。
假设峰值采样的最大误差为5%：
则一个周期内的采样个数为：
S=4/（1-A）=19.786≈20（个）其中A=arcsin（1-ω）/90为误差。
本项目的最高频率为50KHz，即采样频率达1MHz可保证较高的采样精度，C8051F020在8位采样频率可达500KHz，能完全达到基本要求及部分扩展要求。
（不理解，上面的计算方法怎么来的）
并且，由于采用了微处理器对其进行控制，还必须有一数字接口。
其原理如图所2.3所示[4]。
图2.3微处理器控制接口框图
2.3系统硬件设计
2.3.1汽车主控电路
（1）主控芯片介绍
C8051F是美国Cygnal公司的8位片上系统（SystemOnChip，简称SOC）型单片机系列，采用该公司的CIP51微控制器内核，即在原有的8051内核基础上，根据不同的应用场合增加相应的智能外设（IP）及接口，使得整个控制电路部分的设计开发变得简便迅捷；稳定性和可靠性大大提高。
C8051F020是该系列中功能较强、内部集成资源相当丰富的一款。
主要的内部资源介绍［4］：
1）大容量的Flash程序存储空间（64K）和内部数据存储空间RAM（4K+256）；
2）8个8位的I/O口端；
3）8路8位ADC，可编程转换速率，最大为500Ksps；8路12位ADC，可编程转换速率，最大为100Ksps；
4）2个12位DAC，可同步输出，用于产生无抖动波形；
5）5个通用的16位计数器/定时器；
6）可编程16为计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块，6种工作方式；
7）硬件SMBus（I2C兼容）、SPI及两个增强型UART串口；
8）2个模拟、比较器，16可编程回差电压值，可用产生中断或复位；
9）内部电压基准（2.4V），也可以使用外部电压基准；精确的VDD监视器和降压检测器；专用的看门狗。
（2）主控电路框图
本系统以美国Cygnal公司的混合信号系统级芯片C8051F020为核心，控制DDS芯片AD9851，产生相应频率和相位的正弦信号。
通过中文菜单操作来灵活实现调频、调幅、ASK和FSK等功能。
单片机主控电路的框图如图2.4所示。
（为什么不是电路图，是保密吗?
）
图2.4单片机主控电路框图
2.3.2人机接口电路设计
本系统以图形点阵液晶（HG12864）和64键键盘智能管理芯片HD7279A构成人机接口的硬件基础，设计了一套与之相配套的菜单式操作系统［5］，系统的人机交互界面友好。
液晶接口电路如图2.5所示，和键盘接口电路如图2.6所示。
图2.5液晶接口电路
图2.6键盘接口电路
2.3.3正弦波电子信号产生电路
DDS芯片的介绍:
系统的数控电子信号都由DDS芯片AD9851产生，下面对AD9851的有关性能予以介绍。
AD9851由高速DDS电路、数据输入寄存器、频率相位数据寄存器、高速D/A转换和比较器组成，内部结构如图2.4所示。
其中，高速DDS电路又由32位相位累加器和正弦查询表组成。
正弦查询表内存储了一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0～360范围的一个相位点。
每送入一个时钟脉冲信号，查询表就把形成的地址信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动D/A转换器输出模拟量［6］。
AD9851系统时钟的最高频率可以达到180MHz。
为了提高系统的电磁兼容能力，AD9851内部集成了一个6倍频器，若外部接入的参考频率选用20MHz，则经过AD9851内部6倍频后，系统时钟的频率相当于120MHz。
由频率合成公式可计算出，在此频率下的最大分辨率为（公式的导出需要说明清楚，或推导，或引用，下同）
（2.1）
可满足课题步进的要求。
图2.7AD9851内部结构图
AD9851内部有5个8位输入数据寄存器，其中32位用于装载频率控制字FSW。
单片机通过对32位控制字的赋值可精确控制最终合成的信号频率
，FSW与
之间的转换公式为
fc是什么？
（2.2）
相位控制字为
（
为相位控制字）（2.3）
频率控制字可通过并行方式或串行方式装入到AD9851。
在并行装入方式中，需要向数据输入寄存器连续装入5次数据。
由于DDS采用全数字技术，因而不可避免会存在杂散干扰，直接影响输出信号的质量。
理想DDS的输出频谱结构是以sinc（）函数为包络的离散谱线族，如图2.5所示。
图2.5DDS理想频谱
频谱线只在
（L=0,1,2,…）处存在。
当L=0时，DDS的输出频率
，当L≠0时，其输出频率是杂散信号的频率，其中，L=1时杂散信号幅度最大，其杂散信号的频率为
，最接近有用信号的输出频率
。
称为Nyquist频率，当
接近
时，滤波很难实现。
实际设计要求DDS的最大输出频率选取在0.4
处，此时最大的杂散频率为0.6
。
显然，DDS的最大输出频率越小，系统时钟的频率越大，输出频率与最大杂散频率就越容易分离。
综上所述，选择AD9851可以全面满足本课题的要求，并有一定的余量。
AD9851的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中，相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字相加后作为正弦查找表的地址。
正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包括一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波的0°～360°范围的一个相位点。
查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10位的D/A转换器，输出2个互补的电流，在其输出端接一个取样电阻，即可得到输出波形的幅度。
基于上述，得到正弦信号方法如下：
设正弦波信号频率为
（2.4）
在AD9851中，频率分辨率为
（2.5）
只要通过单片机向AD9851送入与
相对应的频率控制字
，就可得到式4.1表示的正弦波
（2.6）
AD9851输出的正弦波幅度
由其内部电路和外接电阻决定。
当其Iout、Ioutb端各接100Ω电阻时，其输出波形无杂散动态范围（SFDR）最好。
本设计采用此方法，其满度输出正电压VOPP≈1V。
由AD9851的内部电路特性可知，其输出的正弦信号为一个单极性的波形［7］，数学表达式为
（2.7）
需要进行单双极性变换。
通过采用差分输入的运放，实现了单双极性变换，电路如图2.8所示。
图2.8单双极性变换电路
通过上面的变换电路后，其输出的波形的数学表达式为
（2.8）
2.3.41M低通滤波电路
（1）DDS输出信号的放大与低通滤波电路
DDS采用全数字技术，因而不可避免会存在杂散干扰，需要进行电路滤波。
我们采用1M的LC椭圆低通滤波器，能达到系统要求,如图2.9所示（参考还是自己设计）。
如何保证1M的截止频率可以进行系统函数分析与仿真
图2.91M低通滤波电路
2.3.5系统稳压电源电路
根据器件性能的要求，系统需要设计±5V的直流稳压电源，而且要求电源的纹波应尽量的小，以减少对输出信号的干扰。
本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法产生±5V直流电压，固定输出的三端稳压芯片为LM7805和LM7905。
稳压管的输出通过电容和电感滤波；数字部分与模拟部分用电感隔离，这样就可以得到纹波系数很小的直流电压［8］，具体电路如图2.10所示。
图2.10±5V电源电路
总的来说这章是本文的重点应详细说明，篇幅应大，不然字数会太少。
第三章软件系统分析与设计
内容太少，更详细地介绍设计思想，特点，一些设计过程（伪代码或流程图）以及抗干扰措施。
3.1系统主程序的设计
系统软件的开发也是本课题的一项重要内容，本课题的软件设计采用模块化程序设计方法［9］，将系统软件划分为：
人机对话模块、正弦信号电子模块、A/D采样模块、显示模块。
全部原代码均使用标准C语言编写，并附带有注释，增加了本系统软件的可读性和可移植性。
主程序流程图如图3.1所示。
图3.1主程序流程图
部分主程序
#include"c8051f020.h"//单片机头文件
#include"delay.h"//延迟头文件
#include"clcdtxt.h"//LCD头文件
#include"config.c"//配置头文件
voidmain（void）
{
WDTCN=0xde;
WDTCN=0xad;//关看门狗
SYSCLK_Init（）;//初始化时钟
PORT_Init（）;//初始化I/O口
SPI0_Init（）;//初始化SPI0
SP=0x60;
EA=0;
InitLCD（）;//液晶显示初始化程序
ClrScr（）;//输出结果前清频
……
}
3.2人机对话模块
根据课题要求，人机对话软件部分设计了一套中文菜单操作系统，它包括128×64的图形点阵液晶显示模块和键盘处理模块（包括对输入数据的处理）两个模块。
液晶的显示分为两种形式：
汉字显示和西文字符的显示，汉字显示是16×16的点阵而西文字符是16×8的点阵。
键盘处理模块采用的是中断的方式对按键进行处理的。
同时，数据处理程序又对键盘输入的数据进行相应的转换，使其成为系统所需要的数据格式［10］。
系统软件的各个模块和主程序都使用的是中文菜单操作。
主菜单的界面如图3.2所示。
图3.2主菜单界面
系统功能菜单说明：
1）主功能菜单用于选择进入电子设定、增加、减小或确定功能菜单；
2）电子设定菜单用于设置正弦波电子快慢，电子范围的选择；
3）增加菜单用于设置电子速度、电子范围的增大；
4）减小菜单用于设置电子速度、电子范围的减小；
5）确定菜单用于输入确定，显示出低频信号输出曲线。
键盘驱动程序如下：
#include"hd7279a.h"
voidinit_keyboard（void） //键盘初始化函数
{
EX0=1;
EA=1;}
//init_keyboard（）;
//KEYBOARDDEVICE
externBOOLkeyMSGHandled;
externBYTECurKeyVal;
externvoidDelay1ms（unsignedint）;
voidISR_Keyboard（void）interrupt0
{//按键消息处理
CurKeyVal=GetKeyValue（）;//获取键值
Delay1ms（300）;//延迟
keyMSGHandled=FALSE;
}//ISR_Keyboard_Interrupt（）;
3.3正弦信号电子模块
正弦信号的产生是由单片机向AD9851发送控制字，以产生相应频率和相位的正弦波。
AD9851与单片机之间的通信方式有两种：
并行和串行。
本系统采用的是并行方式向AD9851发送控制字[11]，并行通信的时序如图3.3所示。
图3.3并行通信时序图
在W_CLK的上升沿，通过8位总线可将数据输入到寄存器，重复5次之后,W_CLK信号的边沿无效。
再在FQ_UD上升沿把40位数据从输入寄存器装到频率或者相位数据寄存器（更新DDS输出的频率和相位），同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待着下一组新数据的写入[12]。
相应的程序代码如下：
voidResetAD9851（void） //AD9851复位函数
{
unsignedchari;
W_CLK=0;
FQ_UD=0;
RESET=1;
for（i=0;i<255;++i）{
;
} //for（）;
RESET=0;
} //ResetAD9851（）;
voidSendCode（void）//AD9851并行方式装载控制字函数
{
unsignedchari;
for（i=0;i<5;++i）{
升级会员 