基于FPGA和MCU的測(cè)量系統(tǒng)，可自動(dòng)測(cè)量RLC的多項(xiàng)基本參數(shù)

為了方便用戶準(zhǔn)確掌握手中RLC（電阻電容電感）的各項(xiàng)參數(shù)，筆者提供了一種采用FPGA和MCU的測(cè)量系統(tǒng)，可自動(dòng)測(cè)量RLC的多項(xiàng)基本參數(shù)，系統(tǒng)以液晶屏顯示測(cè)量結(jié)果，并可根據(jù)需要打印測(cè)量的結(jié)果，與現(xiàn)有的昂貴測(cè)試儀相比，該測(cè)量系統(tǒng)功能精簡(jiǎn)、操作智能化、人機(jī)接口友好。

1 方案設(shè)計(jì)與論證

為滿足高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)需要，設(shè)計(jì)一個(gè)低成本RLC電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用基于C8051F020單片機(jī)的可編程控制系統(tǒng)方案，單片機(jī)生成各種波形的數(shù)據(jù)表傳輸給FPGA，使用DDFS技術(shù)使FPGA生成所需要的波形并進(jìn)行輸出，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)程控放大器AD603，由單片機(jī)控制AD603進(jìn)行增益的調(diào)整，再經(jīng)過(guò)NE5532構(gòu)成的調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行電壓放大¨’2］。產(chǎn)生高精度的正弦波信號(hào)流經(jīng)待測(cè)的電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串連電路，通過(guò)測(cè)量電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻各自的電壓，利用電壓比例計(jì)算的方法推算出電容值或者電感值，利用C8051F020單片機(jī)控制測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測(cè)量精度，采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示數(shù)值。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

1．1 DDS簡(jiǎn)介

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)是通過(guò)累加相位來(lái)合成所需波形的頻率合成技術(shù)。利用DDS設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器具有精度高、穩(wěn)定性好、頻率和波形易于控制等優(yōu)點(diǎn)¨1。DDS主要由參考時(shí)鐘、相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器組成，近年來(lái)在頻率合成、通信、儀器測(cè)量領(lǐng)域均有廣泛地應(yīng)用。

1．2信號(hào)產(chǎn)生模塊

要求設(shè)計(jì)的正弦波信號(hào)發(fā)生器的頻率范圍較寬，其頻率范圍是1Hz～1MHz，且可以對(duì)頻率進(jìn)行設(shè)置，還有頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)的功能，一般傳統(tǒng)的LC諧振回路或無(wú)源RC結(jié)合運(yùn)放的方式很難達(dá)到這一要求，所以我們提出利用DDS原理使用FPGA實(shí)現(xiàn)的解決方案。用FPGA實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)的輸出，只需要在FPGA內(nèi)部建立一個(gè)波形數(shù)據(jù)表，然后在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，讀取數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)高速DA的轉(zhuǎn)化，即可得出需要的波形。要輸出不同的波形，改變波形數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容即可實(shí)現(xiàn)。若要實(shí)現(xiàn)頻率的設(shè)置和步進(jìn)，只需要給FPGA相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)鍵字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技術(shù)，對(duì)于不同波形，可建立不同存儲(chǔ)表即可輸出相應(yīng)的波形，也可由外部輸入波形表來(lái)完成任意波形的輸出。頻率范圍高、精度高，方便與其它設(shè)備接口。FPGA中實(shí)現(xiàn)波形輸出原理圖如圖2所示。

1．3控制器方案選擇

C8051F020是集模擬和數(shù)字信號(hào)為一體的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)高速單片機(jī)，他采用貼片封裝，體積小、運(yùn)算速度快。具有與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核，具有所有8052外設(shè)器件，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，除此之外，C8051F020單片機(jī)具有豐富的I／O，具有高達(dá)20個(gè)中斷源，而且具有豐富的外設(shè)：UART、SPI、ADC、定時(shí)器等。該單片機(jī)具有高達(dá)128k的FLASH和8k+256的RAM，無(wú)需外部擴(kuò)展便可實(shí)現(xiàn)高速度運(yùn)算和掉電存儲(chǔ)，并具有JTAG接口，便于在線調(diào)試，非常適合于各種工業(yè)控制和儀表的使用。

1．4信號(hào)調(diào)理模塊

增益可調(diào)的AD603的放大倍數(shù)可以通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)，由微控制器來(lái)判斷當(dāng)前信號(hào)幅度的大小，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算處理后給出一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字量控制信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬量來(lái)控制放大電路的增益，可以輸出電壓的連續(xù)變化。NE5532可實(shí)現(xiàn)固定放大倍數(shù)放大H’51。AD603通過(guò)軟件控制輸出，使之輸出電壓連續(xù)變化通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電位器可實(shí)現(xiàn)輸出幅度不小于5V，信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

1．5時(shí)間模塊

利用DSl2887作為時(shí)鐘顯示模塊。DSl2887自帶晶體振蕩器和電池，連接方便。通過(guò)修改其內(nèi)部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887內(nèi)部自帶114字節(jié)通用RAM，因此可以通過(guò)它實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)功能。

3程序設(shè)計(jì)

3．1軟件實(shí)現(xiàn)方法

本測(cè)量系統(tǒng)軟件部分有以下幾個(gè)模塊：鍵盤控制模塊、顯示模塊、計(jì)算及量程控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、頻率控制模塊、打印與語(yǔ)音播報(bào)控制模塊。軟件控制由C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)完成對(duì)FPGA、AD603、NE5532的控制和人機(jī)交互。波形數(shù)據(jù)和頻率控制字K由串口寫(xiě)入FPGA，增益控制由單片機(jī)的DA接口輸出到AD603的控制端，電壓輸出控制由單片機(jī)輸出控制數(shù)字電位器來(lái)控制NE5532的輸出。

3．2單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

單片機(jī)擔(dān)任著整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)，不僅要控制FPGA產(chǎn)生固定頻率的波形，還要控制AD603的增益，對(duì)于電壓放大模塊中，要對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行控制，反饋中的結(jié)果還要輸入到FPGA中進(jìn)行處理。單片機(jī)軟件流程如圖4所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

硬件系統(tǒng)測(cè)試：焊接硬件電路后，分模塊進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)模塊焊接完成后，測(cè)試通斷，判斷電路是否存在短路、虛焊，硬件部分全部焊接完畢后，采用自制電源給硬件電路供電，通過(guò)測(cè)量AD637輸出，計(jì)算出待測(cè)元件的參數(shù)，對(duì)比LCR數(shù)字電橋測(cè)量值進(jìn)行硬件電路的優(yōu)化。

軟件系統(tǒng)測(cè)試：采用自下而上調(diào)試的方法，先對(duì)每個(gè)編程模塊進(jìn)行測(cè)試，最后組合每個(gè)模塊的功能進(jìn)行軟件部分整體測(cè)試。

整體功能測(cè)試：通過(guò)加被測(cè)元件，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)被測(cè)元件信息的輸入，對(duì)比液晶顯示和LCR數(shù)字電橋WY2812A測(cè)量值觀察效果。并檢查語(yǔ)音功能與液晶顯示的一致性。結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA與單片機(jī)的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，給出了主要硬件功能電路和控制軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。系統(tǒng)產(chǎn)生最高頻率可達(dá)lMHz，且步進(jìn)可以設(shè)定為l Hz和10 Hz的正弦波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，可以用作實(shí)驗(yàn)室中低成本電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。