ARM真有效值检测.docx

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ARM真有效值检测

基于LPC2103真有效值的检测

摘要：

在电气测量中，电压是一个很重要的参数。

如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。

目前所用的模拟电压表多为平均值检波，存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题，致使仪器灵敏度受到限制。

本文讨论的基于LPC2103的真有效值的松检测，中有效地保证了仪器的灵敏度。

它能精确测量任意波形的低频模拟周期信号并同时显示其有效值和分贝值。

具有智能量程转换功能。

关键词：

单片机，LPC2103，真有效值，AD637

Abstract:

Inelectricalmeasurements,thevoltageisaveryimportantparameter.Howtoaccuratelymeasuretheanalogsignalvoltage,electricalmeasuringinstrumentshasbeenoneoftheresearch.Currentlyusedbymorethantheaverageanalogvoltagedetectiontable,thereisnon-sinusoidalsignalmeasurementerrorislargerwhenmeasuringsmallsignaldriftofthelargerproblemsthatinstrumentsensitivityislimited.Thisarticlediscussesthetrueeffectivevalue-basedLPC2103pinedetection,effectivelyensuringtheinstrumentsensitivity.

Itcanaccuratelymeasurethelow-frequencyarbitrarywaveformsignalsandsimulationcyclealsoshowedtheRMSandthedecibelvalues.Withintellectualenergyconversionprocess.

Keywords:

microcontroller,LPC2103,RMS,AD637

目录

1前言3

1.1课题简介3

1.2真有效值（rms）基本定义3

1.2.1真有效值与有效值的区别4

1.2.2真有效值与加权平均技术的对比4

2关键器件及编译仿真软件简介6

2.1LPC2103概述6

2.2LPC2103主要特性6

2.3Proteus仿真软件简介7

2.4Keil编译及调试软件简介8

3系统硬件设计11

3.1整机设计方案11

3.2单片机电路模块框图11

3.3稳压直流电源设计12

3.4串口通信电路设计12

3.4.1串口通信原理图12

3.4.2串口通信简介13

3.4.3串口通信的原理及意义14

3.5A/D转换电路部分15

3.5.1真效值直流变换芯片AD637简介15

3.5.2RMS-DC变换器的选型考虑15

3.5.3AD637的工作原理16

3.5.4DC误差、输出纹波和平均误差17

3.5.5AD转换电路原理图18

4系统软件设计18

4.1RMS-DC变换器及模数转换18

4.2真有效值的计算20

4.3真有效值计算中应注意的几个问题21

5系统仿真22

5.1串口通信的仿真22

5.1.1串口通信流程图23

5.2其它程序（略）23

6原理图及PCB绘制24

6.1原理图绘制24

6.2元器件封装24

6.3元件布局25

6.4PCB绘制25

7小结与体会26

8参考文献27

9附录28

9.1附录一设计总体电路图28

9.2附录二整机PCB图28

1前言

1.1课题简介

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器（MCU），它的出现是计算机发展史上的一个重要的里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。

本次课设采用的PHILIPS单片32位ARM微控制器－LPC2103，代表，目前ARM系列单片机是国内目前应用最广泛的一种单片机之一。

单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、运行速度快学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计的基础课。

本系统包括以下器件：

电源端子（DC+5V），可以USB供电，也可独立电源供电。

CAT1025作为复位芯片，通用异步串口,采用MAX232做电平转换。

ARM单片机LPC2103，支持串口下载和单步调试，AD637真有效值直流转换芯片。

1.2真有效值（rms）基本定义

真有效值（rms）的定义RMS（真有效值）是对交流信号幅度的基本量度，可以分别从实用角度和数学角度予以定义。

从实用角度定义是：

一个交流信号的真有效值等于在同一负载上产生同等热量所需的直流量。

例如，1V真有效值交流信号与1V直流信号在同一电阻上产生的热量相同。

从数学角度定义是：

电压的真有效值值定义如下：

（以上是经过简化的公式，等同于零平均值统计信号的标准偏差。

）这包括求信号的平方，取平均值，然后获得其平方根。

取平均值的时间必须足够长，以便能在所需的最低工作频率进行滤波。

1.2.1真有效值与有效值的区别

（1）真有效值与有效值之间的处别：

有效值是：

交流电压一周内的电压、电流转换成直流电压、电流等效计算出来，这样在电压表、电流表刻上表记，所以把交流电压、电流叫有效值。

（2）现在可控硅整流、变频器的应用，它是通过移相来调电压，它出来的电压已经不是正弦波，如果用原来电表的刻度读出来已不精确了。

现在又有一种新电压表、电流表来精确核算有效值。

这就是真有效值测量。

1.2.2真有效值与加权平均技术的对比

AD637是AD公司推出的真有效值直流变换器。

和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。

采用AD637可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。

目前市场上的万用表大多采用简单的整流加平均电路来完成交流信号的测量，因此这些仪表在测量RMS值时要首先校准，而且用这种电路组成的万用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一变，测出的读数就不准确了。

真有效值直流变换则不同，它可以直接测得输入信号的真实有效值，并和输入波形无关。

一个交变信号的变化情况可用波峰因数C（CrestFactor）来表示，波峰因数定义为信号的峰值和RMS的比值：

C=VPEAK/VRMS.不同的交变信号，它的波峰因数也就可能不同，许多常见的波形，如正弦波和三角波，它们的C比较小，一般小于2,而一些占空比的信号和SCR信号，它们的峰值因数就比较大。

要想获得精确的RMS测量结果，如果使用加取平均电路，设计者要事先知道信号的波形，并测得其波峰因数，而RMS-DC变换器测无需知道的波号的开关就能直接测出各种波峰因数的交变信号的有效值。

AD636能外理的信号的最大波峰因数为10,附加误差不超过1%，而AD736/AD737能处理的信号波峰因数为5,下面对采用真RMS-DC变换器和加数平均两种技术在各种波形下的性能作了对比。

   一个交变信号的有效值的定义为：

   这时，VRMS为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。

V（t）是一个时间的函数，但不一定是周期性的。

   对等式的两边进行平方得：

   右边的积分项可以用一个平均来近似：

   这样式

（2）可以简化为：

   VRMS2=Avg[V2（t）]   （4）

   等式两边除以VRMS得：

   VRMS={Avg[]V2（t）]}VRMS   （5）

   这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。

   对式（4）两边进行开方得：

   这样就得到VRMS另一种表示方法。

   在实际中公式（5）比公式（6）更有应用价值，因为采用公式（5）将使得器件的动态范围更宽，采用公式（6），对于一个100:

1（0.1～10V）的交变信号来说，平方后的输出的变化范围将为10000:

1（1mV～10V），而使用的平方器电路的误差本身就可能超过1mV,那么，准确率就会和信号的幅度有很大的关系：

为了保证一定的精度，动态范围就要小于100:

1.

2关键器件及编译仿真软件简介

2.1LPC2103概述

LPC2101/2102/2103基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-SCPU，并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

这可以使得中断服务程序和DSP算法中重要功能的性能较Thumb模式提高30﹪。

对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

由于LPC2101/2102/2103非常小的尺寸和极低的功耗，它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，多个UART、SPI到SSP和2个I2C总线组成的混合串行通信接口和片内2kB/4kB/8kB的SRAM一起作用，可使得LPC2101/2102/2103非常适合用来实现通信网关和协议转换器、数学协处理器以及足够大空间的缓冲区的强大处理功能。

而多个32位和16位的定时器、一个经改良后的10位ADC、PWM特性（通过所有定时器上的一个输出匹配来实现）和32个快速GPIO（含有多达9个边沿或电平有效的外部中断管脚）使它们特别适用于工业控制和医疗系统。

2.2LPC2103主要特性

✧16/32位ARM7TDMI-S处理器，极小型LQFP48封装。

✧2kB/4kB/8kB的片内静态RAM，8kB/16kB/32kB的片内Flash程序存储器，128位宽的接口/加速器使其实现了70MHz的高速操作。

✧通过片内Boot-loader软件实现在系统/在应用编程（ISP/IAP），Flash编程时间：

1ms可编程256字节，单个Flash扇区擦除或整片擦除只需400ms。

✧EmbeddedICERT通过片内RealMonitor软件来提供实时调试。

✧10位的A/D转换器含有8个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44μs，专用的结果寄存器使中断开销降到最低。

✧2个32位的定时器/外部事件计数器，具有7路捕获和7路比较通道。

✧2个16位的定时器/外部事件计数器，具有3路捕获和7路比较通道。

✧低功耗实时时钟（RTC），有独立的供电电源和专门的32kHz时钟输入。

✧多个串行接口，包括2个UART（16C550），2个快速I2C总线（400kbits/s）以及带缓冲和可变数据长度功能的SPI和SSP。

✧向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。

✧多达32个可承受5V的通用I/O口。

✧高达13个边沿或电平有效的外部中断管脚。

✧通过可编程的片内PLL（可能的输入频率范围：

10MHz～25MHz）可实现最大为70MHz的CPU时钟频率，设置时间为100μs。

✧片内集成的振荡器，工作在1MHz～25MHz的外部晶体下。

✧节电模式包括空闲模式、RTC有效的睡眠模式和掉电模式。

✧通过外设功能的单独使能/禁止和调节外设时钟来实现功耗的最优化。

✧通过外部中断或RTC将处理器从掉电模式中唤醒。

2.3Proteus仿真软件简介

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，ProteusARES主要用于PCB设计。

ISIS的主界面主要包括：

1是电路图概览区、2是元器件列表区、3是绘图区。

绘制电路图的过程如下：

单击2区的P命令即弹出元器件选择（PickDevices）对话框，Proteus提供了丰富的元器件资源，包括30余种元器件库，有些元器件库还具有子库。

利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK按钮，返回主界面。

接着在2区中选中某一个元器件名称，直接在3区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3区。

由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。

单击左键是完成在2区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（EditComponent）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。

元器件之间的连线方法为：

将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“×”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“×”，此时单击鼠标左键便可完成连线。

连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。

绘制好电路后，可利用1区的绿色边框对3区的电路进行定位。

2.4Keil编译及调试软件简介

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。

Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：

μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。

Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。

工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。

首先选择菜单File—New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open…，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—NewProject…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。

加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroup1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。

紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—OptionforTarget’Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其他选项卡内容一般可取默认值。

工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。

Keil能以单步执行（按F11或选择Debug—Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug—StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。

如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug—InlineAssambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。

对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/RemoveBreakpoint或Debug—Breakpoints…等）。

在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。

Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

3系统硬件设计

3.1

整机设计方案

3.2单片机电路模块框图

本电路采用基于MCS-51单片机，用LM032L进行显示的硬件设计方法，电路硬件模块图如下：

3.3稳压直流电源设计

本系统设计为5V直流稳压电源输入，5V直流电压经电容滤波电路，经两个1117三端稳压器稳压，再进行二次滤波，输出较稳定的DC3.3V和DC1.8V的电压信号，给系统供电。

流程图如下图所示：

本系统在实际制作过程中，基于成本考虑，本设计未做电源这一部分，而是用USB连接线，代替了电源的制作。

因电脑现已非常普及，从电脑的USB口取5V电源，亦非常方便。

3.4串口通信电路设计

3.4.1串口通信原理图

3.4.2串口通信简介

RS232串口针脚定义

9针接口针脚定义：

Pin1CDReceivedLineSignalDetector（DataCarrierDetect）

Pin2RXDReceivedData

Pin3TXDTransmitData

Pin4DTRDataTerminalReady

Pin5GNDSignalGround

Pin6DSRDataSetReady

Pin7RTSRequestToSend

Pin8CTSClearToSend

Pin9RIRingIndicator

9芯信号方向来自缩写描述

1调制解调器CD载波检测

2调制解调器RXD接收数据

3PCTXD发送数据

4PCDTR数据终端准备好

5GND信号地

6调制解调器DSR通讯设备准备好

7PCRTS请求发送

8调制解调器CTS允许发送

9调制解调器RI响铃指示器

3.4.3串口通信的原理及意义

串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制，比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：

AA，通过单片机的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效，站长在开发数据采集设备时就是通过串口来检查数据正确与否的。

ARM单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。

进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。

我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：

第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。

这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。

3.5A/D转换电路部分

3.5.1真效值直流变换芯片AD637简介

图1管脚定义

它的输入级是一个单位增益（增益为1）缓冲器，在AD536A、AD636和AD637中，这个缓冲器是独立的，可另作它用，我们可以把它用作变换器的一个高阻抗输入缓冲，也可以把它作为一个有源滤波器跟在RMS-DC变换器自身的滤波器后面，我们也可以把它束之高阁，弃之不用。

而在AD736和AD737中，这个输入缓冲器只能作为高阻抗放大器使用，并且在内部已按需要的连线连接好。

   第二部分就是绝对值电路，绝对值电路就是一个高精度的全波整流器，绝对值电路的输出接至一个平方/乘法器。

平方乘法器对输入信号进行平方运算，然后用RMS-DC变换器的输出去除，就可实现要求的功能。

3.5.2RMS-DC变换器的选型考虑

   虽然真RMS-DC变换器可以测出任意波形交变信号的有效值，但是不同型号的RMS-DC变换器可以测量的交流信号最大有效值、最大波峰因数也不相同，到目前为止还没有一种能适用于任何场合的RMS-DC变换器，在实际应用中我们要尽可能地选择和应用场合适应的型号，这样，我们就地精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑。

   AD637可测量的信号有效值可高达7V,也是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD636还具有电源自动关