基于FPGA和MCU的相位测量仪的设计毕业设计Word格式.docx

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电气工程及自动化学院

专业：

电气工程及其自动化

XX大学教务处印制

摘要

随着社会和历史的不断进步，相位测量技术广泛应用于国防、科研、生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展，在低频范围内，数字式相位测量仪因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。

本文首先论述了相位测量技术的国内外发展概况，并根据现状设计了此相位测量系统。

该设计包括系统设计的理论分析，系统结构设计及硬件实现，最终验证了该测量系统的可行性和有效性。

该设计采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA的运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机的较强运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。

文章主要介绍设计方案的论证、系统硬件和软件的设计,给出了详细的系统硬件电路图和系统软件主程序流程图。

关键词:

数字式相位测量仪单片机FPGA设计方案

Abstract

Alongwiththesocialandhistoricalprogress,phasemeasurementtechnologyiswidelyusedinnationaldefense,scientificresearch,productionandotherfields,onthephasemeasurementrequirementsarealsograduallytohighprecision,highintelligentdirection,intherangeoflowfrequencydigitalphasemeasurementinstrument,becauseofitshighprecisionmeasurementresolutionandhighlyintelligent,intuitivecharacteristicshavebeenmoreandmorewidelyapplied.

Thistextfirstdiscussesthephasemeasuringtechnologydevelopmentindomesticandinternational,andaccordingtothepresentsituationdesignsthephasemeasuringsystem.Thedesignincludessystemdesigntheoryanalysis,systemstructuredesignandhardwarerealization,finallyverifiedthefeasibilityandvalidityofthesystem.

ThecombinationofMCUandFPGAisadoptedinthedesign.IthasthefeaturesofFPGAhighoperatingspeed,abundantresourcesandconvenientprogramming.AndtheuseofMCU’sstrongoperationandcontrolfunction,whichmakesthewholesystemmodularized,thehardwarecircuitissimpleandtheoperationisconvenient.Thepapermainlyintroducesthedesignsofthedemonstration,hardwareandsoftware,thehardwarecircuitsandmainsoftwareprogramaregivenindetail.

Keywords:

DigitalphasemeasuringinstrumentMCUFPGADesignstrategy

1绪论

1.1课题背景及研究意义

随着社会和历史的不断进步，科学技术突飞猛进的发展，电子技术广泛应用于工业、交通、国防、科研、生产等各个领域，而相位测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。

对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展。

在低频范围内，相位测量在电力、机械等部门有着尤其重要的意义，对于低频相位的测量，用传统的模拟指针式仪表显然不能够满足所需的精度要求，随着电子技术以及微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度的智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用。

相位差是工业测控领域经常需要测量的参数，如电力系统中功率因数的测量、铁路系统中相敏轨道电路相位差的测量以及科氏质量流量计中的相位差测量等等。

而相位差的测量又不同于传统的电压、电流信号或物位、温度量的测量。

首先，相位差信号依附于电压、电流信号中，如何剔除电压、电流、频率变化对相位差测量的影响是相位差测量中很重要的一个方面；

其次相位差是一个比较量，测量两路信号之间的相位差不仅需要保证两路信号的频率相同，而且要排除由于两路信号的幅值等其它因素不一致而对测量造成的影响。

因此，如何准确可靠地测量相位差是值得研究的课题[1]。

相位测量仪的用途极为广泛，可以测量两电压、两电流及电压电流之间的相位，是电力部门、工厂和矿山、石油化工、冶金系统正确把握电力使用情况的理想仪表。

相位测量仪可应用于变压器件生产厂，收录机，电视机，整机生产厂或有关科研单位，作为产品验收，检验，样品分析的测试仪器，是提高产品质量和工作效率的最佳辅助工具。

1.2国内外发展动态

经过几十年，特别是近十几年的建设与发展，我国仪器仪表行业已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。

而数字化测量技术则已经成为数字化制造技术的一个不可或缺的关键组成部分，采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升我国装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。

传统的测量方法很多，有示波器测量法，可变延迟法，基于数据采集板的相位测量新方法，将相位差转化为时间间隔法，电压测量法，示零法等。

通常的测量方法是对两路输入信号进行处理，应用过零检测的方法使其变换成两个方波，然后对这两个方波进行比较得到鉴相脉冲，即相位差脉宽。

再由鉴相脉冲来控制计数器的关停，即用高频时钟脉冲去填充两个信号的相位差，从而实现相位差的测量。

相位的数字测量方法基本分为硬件电路测量和A/D采样后利用软件计算两种。

硬件法测量由于电路结构比较复杂、易受外界干扰影响以及准确度较差的缺点，限制了它的进一步发展。

近年来，随着计算机软硬件及其外围设备的日益发展，以数字信号处理为核心的软件法测量技术在相位差的测量中得到了越来越多的关注，并取得了较快的发展。

FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，FPGA在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景；

并且FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了电路的体积[2]。

目前，单片机的主流仍然是8位高性能单片机。

其发展具体体现在CPU功能的增强，内部资源的增多，引脚的多功能化、低电压、低功耗等方面。

单片机的发展是为了满足不断增长的自动检测、控制的要求，具体体现在传感器的接口、各种工业对象的电气接口、功率驱动接口、人机接口、通信网络接口等。

这些接口性能的发展体现在高速的I/O能力、程序运行监控能力、信号实时处理能力等。

总之，单片机将向高性能、高可靠性、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展[1]。

现在采用单片机与FPGA相结合的电路实现方案,很好地发挥了FPGA运算速度快、资源丰富、编程方便的特点,并利用了单片机较强的运算、控制功能,使得整个系统模块化、硬件电路简单、使用操作方便。

而且可以很好地完成该设计所要求的各项指标。

1.3课题设计任务

设计一个低频数字式相位测量仪，要具有频率测量和数字显示功能，并且要求能提高测量、显示精度和系统稳定性，使显示结果更加精确。

其设计示意图如图1-1所示。

图1-1相位测量仪示意图

该设计要满足的要求有：

频率范围：

20HZ—20KHZ、相位测量仪的输入阻抗≥100ΚΩ、允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V—5V范围内变化、相位测量绝对误差≤2°

、具有频率测量及数字显示功能、相位差数字显示：

相位读数为0—359.9°

，分辨率为0.1°

。

2设计方案论证

从功能角度来看，相位测量仪要完成信号频率的测量和相位差的测量。

相位测量仪有两路输入信号，也就是被测信号，它们是两个同频率的正弦信号，频率范围为20HZ—20KHZ（正好是音频范围），而这两个被测信号的幅度分别为Up-p=1V—5V（可以扩展到0.3V—5V），但两者幅度不一定相等。

不妨令两个同频率的正弦信号为，则相位差，由此可以看出，相位差在数值上等于初相位之差，θ是一个角度。

令，式中是相位差θ对应的时间差，且令为信号周期，则有×

360°

，由此可以看出，相位差θ与有一一对应的关系，我们可以通过测量时间差及信号周期而计算出相位差θ，这就是相位差测量的基本原理。

因此，相位差的测量本质上就是时间的测量，而时间的测量就要用到电子计数器[5]。

时间的测量方法有很多种，而本设计关于相位测量仪的技术指标要求会影响到我们对方案的选择。

我们知道，MCU应用系统一般能较好地实现各种不同的测量和控制功能，但有的时候却达不到设计要求的技术指标。

而FPGA具有集成度高，I/O资源丰富，稳定可靠，工作速度快，可现场在线编程等优点，往往能满足一些设计要求比较高的技术指标。

因此，人们在进行电子系统设计的时候，用MCU实现系统功能，FPGA完成系统指标。

2.1以MCU为核心的实现方案

以单片机为核心的相位测量仪的原理框图如图2-1所示。

图2-1以MCU为核心的相位测量仪的原理框图

两路待测信号经电路整形后变成了矩形波信号Ⅰ、Ⅱ，而且Ⅰ和Ⅱ是同频率但不同相位的矩形波。

MCU对信号频率的测量可以采用直接测量频率法和测量周期法。

当信号频率较高时，我们一般采用直接测量频率的方法，而信号频率较低时，则采用测量周期的方法。

（1）直接测频率的方法测信号频率

用定时器/计数器对外部事件计数，并让定时器/计数器定时1s，只有在这1s内启动对外部事件（即信号Ⅰ）计数，的计数值就是待测信号的频率。

（2）测周期的方法测量信号频率

对信号Ⅰ进行二分频，分频后高电平的宽度正好对应信号Ⅰ的周期，我们将此高电平信号作为MCU内部定时器的硬件启动/停止信号，便可测得周期，再由公式，计算得到频率。

在对相位差进行测量时，我们采用的是测量信号Ⅰ、Ⅱ相位差所对应的时间差，再根据公式

（2-1）

通过计算求出相位差θ。

MCS-51系列单片机芯片内部集成了两个16位的硬件定时器/计数器，他们是、，均是二进制加法计数器，当计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，表示定时时间已到或计数已终止。

MCU芯片内部的硬件定时器/计数器有3个特点：

定时器/计数器可以与CPU并行工作；

定时器/计数器可以采用中断方式与系统协调工作；

定时器/计数器可以由软件或硬件控制启动或停止。

单片机的定时器/计数