電參數(shù)測量系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)設計開題報告電子信息工程電參數(shù)測量系統(tǒng)設計1、前言本課題主要研究的是基于DSP芯片和單片機的交流電參數(shù)測量系統(tǒng)的設計 與應用。該設計是以單片機為核心的對電量進行測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結構簡 單、操作方便、成本低廉等特點，著重介紹其硬件和軟件設計方法。利用單片機 的控制運算功能，以軟件代替硬件電路，用軟件計算分析出各種有效值，使硬件 電路大大簡化。電能是人們日常生活和工業(yè)生產中的主要能源之一，在現(xiàn)代社會中起著越來 越重要的作用。電能和其他商品一樣，要經過生產、銷售和消費。點能表是計量 電能的一種儀表，其準確度關系到電能生產者和消費者的切身利益，影響著電能 管理的效率和科學化水平。于是，電量測

2、量儀隨之而產生，成為計量單位和供電 部門重要的測試儀器。電量測量儀器的發(fā)展經歷了以下三個階段:指針式儀表，數(shù)字測量儀表，智 能儀器，本文設計基于AT89C52單片機的智能電量測量儀器。電量測量與各個學科、各個行業(yè)的關系十分密切。電量測量是獲取信息的重 要手段，在工農業(yè)生產、科學技術研究、國防現(xiàn)代化建設等各個領域有極為廣泛 的應用。電量測量技術和電子儀器早已成為一種各行各業(yè)所需的通用技術和通用 設備。同時它還是一個把電子、計算機、通信與控制等電子信息專業(yè)知識綜合應 用在測量科學技術中，而形成的一個獨具特色的學科。其特點是綜合性強、實踐 性突出、應用面廣泛。我們通過對電量測量的學習，不僅能獲得電子

3、測量技術和 儀器方面的基礎知識和掌握一門通用技術，而且可以培養(yǎng)綜合應用能力與實踐能 力1-。2、主題2.1研兗背景及意義單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮 寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內僅有CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一 個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設 備當中。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等 優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、 頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、

4、長度、硬度、元素、壓力等物理 量的測量。采用單片機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)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分 析儀）。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯 片的內部采用程序和數(shù)據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流 水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點：（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和數(shù)據空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據。（3）片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的

5、數(shù)據總線在兩塊中同時訪問。（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持。（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器。（7）可以并行執(zhí)行多個操作。（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的芯片的缺點有：成本較高、高頻時鐘的高頻干擾、功率消耗較大等。DSP芯片的主要應用領域有：信號處理、圖像處理、儀器、聲音語言、控制、 軍事、通訊、醫(yī)療、家用電器等6-。 2.2國內外研究現(xiàn)狀國內單片機的使用現(xiàn)狀，基本上還以51系列為主的。其實這很普

6、遍，51系列單片機在國內的根基非常深厚，普通學校的教學一般還是以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。隨著市場的分工和產 品設計所需求，PIC單片機在國內相關行業(yè)中的認知度提高的很快，其使用范圍和市場占有率也隨之迅速上升。計算機系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個方向發(fā)展；這三個方向就是：巨型化，單 片化，網絡化。以解決復雜系統(tǒng)計算和高速數(shù)據處理的仍然是巨型機在起作用， 故而，巨型機在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機在出現(xiàn)時，Intel 公司就給其單片機取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。單片 機的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設備

7、中。這一點是巨型機和網絡 不可能做到的。數(shù)字單片機的技術進步反映在內部結構、功率消耗、外部電壓等級以及制造 工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機的水平。在目前，用戶對單 片機的需要越來越多，但是，要求也越來越高。下面分為三個方面說明單片機的 技術進步狀況。（1）內部結構的進步單片機在內部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例 如：定時器，比較器，A/D轉換器，D /A轉換器，串行通信接口，Watchdog電 路，LCD控制器等。有的單片機為了構成控制網絡或形成局部網，內部含有局部 網絡控制模塊 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C167CS-32FM中， 內部還含有2個CAN。因此，這類單片機十分容易構成網絡。特別是在控制，系 統(tǒng)較為復雜時，構成一個控制網絡十分有用。為了能在變頻控制中方便使用單片 機，形成最具經濟效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機內部設置了專門用于變頻 控制的脈寬 調制控制電路，這些單片機有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860 系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在這些單片機中，脈寬調制電 路有6個通道輸出，可產生三相脈寬調制交流電壓，并內部含死區(qū)控

9、制等功能。（2）功耗、封裝及電源電壓的進步現(xiàn)在新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設置了多種工作方 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P87LPC762是一個很典型的例子，在空閑時，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MSP430系列，它是一個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。當電源為3V時，如果工作于LMP1方式，即使外 圍電路處于活動，由于CPU不活動，振蕩器處于14MHz，這時功耗只有50A。 在LPM3時，振

10、蕩器處于32kHz，這時功耗只有1.3A。在LPM4時，CPU、外圍及 振蕩器32kHz都不活動，則功耗只有0.1A。（3）工藝上的進步現(xiàn)在的單片機基本上采用CMOS技術，但已經大多數(shù)采用了 0.6nm以上的光 刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35nm甚至是0.25nm技術。 這些技術的進步大大地提高了單片機的內部密度和可靠性。單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：可靠性及應用越來越水平高和互聯(lián)網連接已是一種明顯的走向。所集成的部件越來越多；NS （美國國家半導體）公司的單片機已把語音、圖 象部件也集成到單片機中，也就是說，單片機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用機。原因是其內部已集成上各 種應用電路。功耗越來越低和模擬電路結合越來越多。隨著半導體工藝技術的發(fā)展及系統(tǒng)設計水平的提高，單片機還會不斷產生新 的變化和進步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：單片機與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，甚 至難以辨認。70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕 生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發(fā)展，高速實時數(shù)字信 號處理技術的要求和數(shù)字信號處理應用領域的不斷延伸，在80年代初至今的十 幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發(fā)展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時 間已從80年代的400 ns

12、降低到40 ns以下，數(shù)據處理能力提高了幾十倍MIPS （每秒執(zhí)行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到 現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%， 片內RAM增加了一個數(shù)量級以上。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 個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應用的靈活性增加，使 外部存儲器的擴展和各個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芯片有浮點和定點兩種數(shù)據 格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使 運算

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開發(fā)系統(tǒng)方面，軟件和硬件開發(fā)工具不斷完 善。目前某些芯片具有相應的集成開發(fā)環(huán)境，它支持斷點的設置和程序存儲器、 數(shù)據存儲器和DMA的訪問及程序 的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編 程，有些廠家和一些軟件開發(fā)商為DSP應用軟件的開發(fā)準備了通用的函數(shù)庫及各 種算法子程序和各種接口程序，這使 得應用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大 縮短，因而提高了產品開發(fā)的效率。目前各廠商生產的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芯片為核心構造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據采集、傳輸、存儲和 高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載 人航天領域設備測量精度、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，應用技術和開發(fā)手段在不斷完善。 這樣為實時數(shù)字信號處理的應用一一尤其是在載人航天領域中的應用提供了更 為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發(fā)展和應用將會對載人航 天信

15、號處理領域產生深遠的影響10-163總結綜上所述，基于DSP芯片和單片機的電參數(shù)測量系統(tǒng)的設計與研究是有它的 巨大意義的。因為單片機具有小巧靈活、成本低、易于產品化、可靠性好、適應 溫度范圍寬、易擴展、多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗等優(yōu)點。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。再加上在當代社會，電量測量技術又對我們是很重要 的一門技術而且它和我們的日常生活有很密切的關系。因此這三者的結合，定會 對我國的發(fā)展產生深遠的影響，而作為當代大學生，我們更能夠從中學到很多知 識和技術。4參考文獻何立民.單片機應用系統(tǒng)設計M.北京:

16、北京航天航空大學出版社.1990趙新民.只能儀器設計基礎M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社.1990李華.MCS-51系列單片機使用接口技術M.北京：北京航天航空大學出版 社.1993高翔.數(shù)字化變電站應用技術M.北京：中國電力出版社.2008周軍，李志霞，陸勇.基于DSP的電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制J.電測與 儀表，20077:41-44.王秀霞.DSP信號處理系統(tǒng)開發(fā)簡要設計C.第三屆全國嵌入式技術和信息 處理聯(lián)合學術會議論文集，2009.尹勇，歐光軍，關榮鋒DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS使用指南M.北京:航空航天 大學出版社，2003王秋云.基于AD7750的電能自動測量系統(tǒng)J.電子技術，200

17、6,30(4):68.陳桂友，柴遠斌.單片機應用技術M.北京：機械工業(yè)出版社.2008范云霄，劉樺.測試技術與信號處理M.北京：中國計量出版社，2002張毅剛.單片機原理及應用.高等教育出版社.2003陳金鷹.DSP技術及應用.機械工業(yè)出版社2004古天祥，王厚軍，習友寶，詹慧琴.電子測量原理.機械工業(yè)出版社.2004Kedar Godbole. Converting Analog Controllers to Smart Controllers with the TMS320C2000DSPs, Application Note (spra995)-Texas InstrumentsM, 2004.OGATA K, Modern control engineeringM Beijing，China： Publishing House of