【正文】 ， n 為方波相位差對應(yīng)時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)， N 為方波一個周期內(nèi)的脈沖數(shù)。采用這種方式設(shè)計的移相器有許多不足之處，如：輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負載和時間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。為滿足基本部分連續(xù)相移范圍：－ 45o ～＋ 45o 的要求，需采用一個 相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)和一個相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)。但要在各個頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的移相 ，硬件電路將會很復(fù)雜。 該方案精度高，且易于傳送。通過調(diào)整外部元件可以改變輸出頻率，產(chǎn)生正弦波。 顯然第三種方案具有更大的優(yōu)越性、靈活性，所以采用第三種方案進行設(shè)計。1 個字誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值 Ns有關(guān) 。這種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生177。 單片機受本身時鐘頻率和若干指令運算的限制，測頻速度較慢，無法滿足高速、高精度的測頻要求 ；而 采用高集成度、高速的現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA為實現(xiàn)高速，高精度的測頻提供了保證。 圖 數(shù)字電位器實現(xiàn)幅度控制 圖 D/A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)幅度控制 方案二：采用 D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) （如圖 ） 。 經(jīng)比較，選用第二種方案。電路圖如圖 。由于引入了集成運放，濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)和帶負載能力得到了提高，但電 路稍復(fù)雜。雖然其功能強大， 可顯示各種字體的數(shù)字、漢字，圖像，還可以自定義顯示內(nèi)容， 但是編程復(fù)雜，需要完成大量的顯示編程工作。 方案論證 總體思路 為滿足相位測量儀與數(shù)字式移位信號發(fā) 生器互相獨立，不共用控制與顯示電路的要求，采用兩塊 xinlinx公司生產(chǎn)的 Spartan2E 系列 xc2s100e6pq208芯片分別作為相位測量儀與數(shù)字式移位信號發(fā)生器的主控部分進行設(shè)計。 圖 系統(tǒng)方框總圖 數(shù)字式移位信號發(fā)生器可產(chǎn)生兩路正弦波信號 A(U1) 和 B(U2) ，并測量兩信號的頻率、幅度、相位差，還可通過按鍵在頻率、幅度、相位差顯示間自由切換；相位測量儀同時測量、顯示數(shù)字式移位信號發(fā)生器的輸出信號 A 和 B 的相位差和頻率。 相位測量原理 被測信號 A(U1)、 B(U2)經(jīng)過零比較器，在信號的正極性階段產(chǎn)生脈沖 A′(U1′)和 B(U2′)，整形后形成門控信號 UF，其中 A′(U1′)開啟主門， B′(U2′)關(guān)閉主門。由式（ 211）得被測相位差： oooooC 360ff360360t ????? NTNTT ＝＝? () 若取 fo＝ 360Hz，則每個計數(shù)脈沖表示 1186。 圖 45 原理方框圖 相位測量儀原理方框圖如圖 。 圖 低頻數(shù)字式相位測量儀原理框圖 原理圖的設(shè)計與制作 該部分是主要是通過 FPGA和 LM393 來實現(xiàn)的。 U1A， U1B（ LM393）分別把兩路輸入的正弦波 A、正弦波 B（或則任意波形都可）通過過零比較，得到頻率、相位與原波形相同的兩路方波。 LM393 是內(nèi)接兩個低失調(diào)電壓比較器，具有良好的匹配性與隔離性，且響應(yīng)時間為 300ns，遠遠小于 50000ns。 （ 2） FPGA 控制部分電路原理圖 低頻數(shù)字式相位測量儀 FPGA控制部分電路原理圖如 圖 所示。要實現(xiàn)數(shù)字移相時， J4 需要加跳帽。電容要選擇漏電容較少的陶瓷電容。手按按鍵時，有足夠的時間把 C9， C10 的電荷放走。圖中 D D2 分別顯示被測兩路正弦波的頻率和兩路的正弦波相位差。 圖 低頻數(shù)字式相位測量儀電源 /濾波電路 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 所謂移相是指兩種同頻的信號，以其中的一路為參考，另一路相對于該參考作超前或滯后的移動，即稱為是相位的移動。～ 360176。 由于 數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個數(shù) 一定，因此 相位差的值 只 與數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。由于正弦波函數(shù)表早已編輯好并存儲于 ROM中，因此可通過軟件編程實現(xiàn) ROM地址中的數(shù)據(jù)按不同數(shù)據(jù)序列的循環(huán)輸出的功能，并經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換后得到兩路移相正弦波。再經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換，便可得到連續(xù)的正弦波。輸出波形的頻率可由式（ ）計算 ： kff osc??3600 （ ） 其中， fosc為晶振頻率， k 為分頻系數(shù)， 360 為采樣點數(shù)，則： 0osc360k ff?＝ （ ） 在實現(xiàn)方法上，現(xiàn)有的晶振為 50MHz，若通過按鍵預(yù)置頻率 f＝ 1KHz，則 f0取 1KHz。 （ 3）幅度控制、雙 D/A 設(shè)計 雙 D/A轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)幅度可調(diào)的關(guān)鍵。數(shù)碼管顯示幅度、頻率、相位差。控制器主要功能有 ：把置入的頻率數(shù)據(jù)，相位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成 52 脈沖間隔數(shù)，并通過計數(shù)，不斷循環(huán)地從存儲器取出正弦波波形數(shù)據(jù)送至 D/A 轉(zhuǎn)換器（ AD7524）；把幅度數(shù)據(jù)送至 D/A轉(zhuǎn)換器（ AD7520），經(jīng) D/A轉(zhuǎn)化得到電平，作為波形 D/A轉(zhuǎn)化器的基準電平，從而實現(xiàn)調(diào)幅功能。 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器方框圖 （ 6） FPGA 控制部分電路原理圖 與低頻數(shù)字式相 位測量儀 FPGA控制部分電路原理圖相同， 如 圖 。 53 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分 （ 8）數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A/B信號發(fā)生部分 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A信號發(fā)生部分電原理圖如圖 （ B 信號發(fā)生電路完全相同，略）。 4. J7 為正弦波 A信號輸出接口， J8 為正弦波 B 信號輸出接口。 VHDL 語言的系統(tǒng)硬件描述能力很強，具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)級到門級電路，而且高層次的行為描述可以與低層次的 RTL 描述混合使用。 CNT1和 CNT2是兩個可控計數(shù)器，標準頻率（ fs）信號從 CNT1 的時鐘輸入端 CLK 輸入；經(jīng)整形后的被測信號（ fx）從 CNT2的時鐘輸入端 CLK 輸入。 55 圖 等精度測頻實現(xiàn)方法的原理 正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生 利用 計算波形數(shù)據(jù)，程序及結(jié)果如下： step=2*pi/1023。 首先通過開關(guān)選擇調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅功能，然后相應(yīng)的進行置數(shù)或調(diào)節(jié)。首先判斷兩路輸入信號的上升沿，如果上升沿到達則計數(shù)器開始計數(shù)，否則繼續(xù)等待。 相位測量儀程序清單與各模塊的功能說明詳見附錄。 幅值、頻率、波形測量 測量幅值：先將數(shù)字式移相信號發(fā)生器輸出接示波器，然后將數(shù)字式移相信號發(fā)生器 的撥動開關(guān)撥到置幅檔，調(diào)節(jié)按鈕 S1， S2，增加或減小幅值。 （ 3）數(shù)字式移相信號發(fā)生器與相位測量儀聯(lián)調(diào)的測試 將數(shù)字式移相信號發(fā)生器兩路信號的輸出接到相位測量儀的兩輸入端，進行數(shù)字式移相 60 信號發(fā)生器與相位測量儀聯(lián)調(diào)。 采用小波技術(shù)處理 A/D 采樣后得到的信號，對混入的采集噪聲及直流、諧波分量進行抑除，之后用兩信號最大點的時間間隔求取相位差， 可減小誤差 。 ② 舍位引起的誤差 :在 DDFS 中，由于對分頻系數(shù) k 進行四舍五入，會不可避免的產(chǎn)生相位誤差。 5 結(jié) 論 本設(shè)計制作完成了題 目要求的基本部分的全部要求和發(fā)揮部分的大部分要求，達到設(shè)計要求。驅(qū)動電機采用直流電機，電機控制方式為單向 PWM控制。 注意 2： 以上部分在實際論文中為一頁。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計方案并進行了論證。 FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA軟件仿真，調(diào)試，易于進行功能擴展。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并 67 且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 AT89C51負責(zé)監(jiān)測金屬探測模塊和路程測量模塊，同時實現(xiàn)車速的顯示，計時和控制小車的狀態(tài)標志等功能。 電渦流式金屬傳感器是建立在磁場的 理論基礎(chǔ)上而工作的。在本設(shè)計中我們采用諧振法，也就是電感測量電路。在本設(shè)計中采用調(diào)幅法。 當(dāng)沒有被測物體時，先使 LC回路諧振，諧振頻率為 LCf ?2 10 ? 此時阻抗值最大，輸出電壓為最大。 69 為了確保小車在行駛過程中避免撞到障礙物，系統(tǒng)需要利用測距傳感器檢測出障礙物與小車之間的距離，使小車做出正確的動作，避免與障礙物相碰。但由于激光是以光速傳播的，距離與時間的關(guān)系滿足： 2S=C T1，在本系統(tǒng)中障礙物離小車的距離最大不超過2m，所以 T1≤ 4/C= 108s，而單片機的機器時鐘為晶體振蕩器的十二分之一（一般單片機采用 12MHz 或 6MHz 的晶振），遠大于 T1，因此需要添加外部的發(fā)射電路才能適合單片機接收，同時，由于激光傳感器的制作比較精細使其價格過高。 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的定律。 基于以上分析，擬訂方案三。 設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 344m/s，則根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s =344t/2。根據(jù)題目要求，需要顯示金屬片與起跑線之間的距離，考慮到小車在行駛過程中，車輪旋轉(zhuǎn)一圈所行走的距離就是車輪的周長，因此只要在某時間間隔內(nèi)測量出車輪的圈數(shù)，依照 S=n C（其中 S為路程， C為車輪的周長， n為圈數(shù)），就可得出路程值。該方案也適合用于精度較高的場合。 方案一：采用熱探測器。 光電探測器接收紅外輻射后，由于紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導(dǎo)電子，由此引起電信號輸出，信號大小與所吸收的光子數(shù)成比例。并考慮使用兩個光電傳感器或者使用三個光電傳感器兩種方案。 表 光敏傳感器狀態(tài)真值表 （ 6）光源探測模塊 本題要求小車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進入停車區(qū)并到達車庫。由于采用的是白熾燈，光線是射散的，為了便于小車能夠在偏離光源一定角度的情況下仍能檢測到光線，我們使用了三個互成一定角度的傳感器組，這樣增加了小車的檢測范圍。 表 狀 態(tài) 動作對應(yīng)表 狀態(tài) 光敏三極管 A 光敏三極管 B 光敏三極管 C 光源與車之間的位置 小車動作 1 0 0 0 非常遠 2 0 0 1 在車的右端 右轉(zhuǎn)（幅度大） 3 0 1 0 正對車 直線行駛 4 0 1 1 在車的右端 右轉(zhuǎn)（幅度?。? 5 1 0 0 在車的左端 左傳（幅度大） 6 1 0 1 7 1 1 0 在車的左端 左轉(zhuǎn)（幅度?。? 8 1 1 1 非常近 減速直線行駛 （ 7）電機驅(qū)動模塊 電機的驅(qū)動電路主要通過電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車的前后或者左右的方向選擇。這個方案的優(yōu)點是電路比較簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu) 易損壞、壽命較短可靠性不高。本設(shè)計中有兩路驅(qū)動電路：前輪驅(qū)動，負責(zé)小車的左右運動；后輪驅(qū)動，負責(zé)小車的前后運動。 液晶顯示屏（ LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢可視面積大，畫面效果好，分辨率高， 抗干擾能力強等特點。 數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗 、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫 ，對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時其 精度 比較 高，稱量快，精確可靠，操作簡單。 （ 9）計時模塊 計時模塊要實現(xiàn)的功能是對小車從啟動到停止的過程進行計時，最小單位為 。本方案在有效地利用系統(tǒng)資源的同時，又減少了單片機的外圍電路。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1） 控制模塊：采用 AT89C51和 AT89C2051雙 CPU控制 75 （ 2） 金屬探測模塊：采用電渦流式傳感器 （ 3） 障礙物探測模塊 ：采用超聲波傳感器 （ 4） 車速檢測模塊 ：采用光電傳感器 （ 5） 光源探測模塊：采用光敏三極管 （ 6） 路面檢測模塊：采用光電傳感器 （ 7） 電機驅(qū)動模塊：采用 PWM調(diào)制方式控制電機 （ 8） 顯示模塊：采用數(shù)碼管 （ 9） 計時模塊：采用 AT89C51內(nèi)置的定時器 /計數(shù)器 （ 10） 狀態(tài)標志模塊：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管。兩單片機之間采用查詢的方式互相通信，將分別獨立的兩套系統(tǒng)有機的綜合為一體，其工作過程如下： 圖 系統(tǒng)基本框圖 小車加電，系統(tǒng)開始工作，計時模塊運行，當(dāng)小車進入直道區(qū)時， AT89C2051根據(jù)紅外傳感器傳達的路面信息控制小車沿著軌道行駛，同時 AT89C51根據(jù)金屬傳感器探測的結(jié)果 ，控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光信息。在整個過程中，一旦 AT89C51的計時器計滿了 90s， AT89C2051就控制小車停止一切活動。傳感器檢測部分包括五個單元電路：路面檢測電路、障礙物探測電路、路程測 量電路、光源探測電路和金屬檢測電路。為了能使小車能在偏離軌道之后能調(diào)整方向，重新回到軌道上，系統(tǒng)需要將路面的狀態(tài)及時的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制前輪驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)，使小車重新回到軌道上。 具體電路如圖 。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機的誤判，因此我們在電路中加入了一個電位器（阻值為 1KΩ），通過調(diào)整電位器，改變光電傳感器的輸入電流從而改變其靈敏度。 電渦流傳感器的靈敏度和線性范圍是與線性圈產(chǎn)生的磁場強度和分布狀況有關(guān)，磁場沿徑向分布范圍大，則線性范圍就大，軸向磁場梯度大，則靈敏度高。線圈外徑小時，線性范圍減小，但靈敏度增大