【正文】 基于 FPGA 和 MCU的相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 4 2 設(shè)計(jì)方案論證 從功能 角度來(lái)看，相位測(cè)量?jī)x要完成信號(hào)頻率的測(cè)量和相位差的測(cè)量。 ，分辨率為 176。 圖 11 相位測(cè)量?jī)x示意圖 該 設(shè)計(jì) 要滿足的要求有： 頻率范圍： 20HZ— 20KHZ、 相位測(cè)量?jī)x的輸入阻抗≥ 100ΚΩ 、允許兩路輸入正弦信號(hào)峰 峰值可分別在 1V— 5V 范圍內(nèi)變化 、 相位測(cè)量絕對(duì)誤差 ≤ 2176。 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 FPGA 和 MCU的相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 3 課題設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x， 要具有頻率測(cè)量和 數(shù)字顯示功能，并且要求 能 提高測(cè)量、顯示精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，使顯示結(jié)果更加精確。 現(xiàn)在 采用單片機(jī) 與 FPGA 相結(jié)合的電路實(shí)現(xiàn)方案 ,很好地發(fā)揮了 FPGA 運(yùn)算速度快、資源豐富、編程方便的特點(diǎn) ,并利用了單片機(jī)較強(qiáng)的運(yùn)算、控制功能 ,使得整個(gè)系統(tǒng)模塊化、硬件電路簡(jiǎn)單、使用操作方便 。這些接口性能的發(fā)展體現(xiàn)在高速的 I/O能力、程序運(yùn)行監(jiān)控能力、信號(hào)實(shí)時(shí)處理能力等。其發(fā)展具體體現(xiàn)在 CPU 功能的增強(qiáng)，內(nèi)部資源的增多，引腳的多功能化、低電壓、低功耗等方面。 FPGA 是 20世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來(lái)的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷S著 EDA（ 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 ） 技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步， FPGA 在超高速、 實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景；并且 FPGA 具有高集成度、高可靠性， 幾乎可將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，從而大大縮小了電路的體積 [2]。硬件法測(cè)量由于電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、易受外界干擾影響以及準(zhǔn)確度較差的缺點(diǎn)，限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。再由鑒相脈沖 來(lái)控制計(jì)數(shù)器的關(guān)停，即用 高頻時(shí)鐘脈沖去填充兩個(gè)信號(hào)的相位差，從而實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量。 傳統(tǒng)的測(cè)量方法很多，有示波器測(cè)量法， 可變延遲法，基于數(shù)據(jù)采集板的相位測(cè)量新方法， 將相位差轉(zhuǎn)化為時(shí)間間隔法，電壓測(cè)量法，示零法等。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài) 經(jīng)過(guò)幾十年，特別是近十幾年的建設(shè)與發(fā)展，我國(guó)儀器儀表行業(yè)已經(jīng)初步形成產(chǎn)品門(mén)類品種比較齊全，具有一定生產(chǎn)規(guī)模和開(kāi)發(fā)能力的產(chǎn)業(yè)體系，成為亞洲除日本以外第二大儀器儀表生產(chǎn)國(guó)。 相位測(cè)量?jī)x的用途極為廣泛，可以測(cè)量?jī)呻妷?、兩電流及電壓電流之間的相位，是電力部門(mén)、工廠和礦山、石油化工、冶金系統(tǒng)正確把握電力使用情況的理想儀表。首先，相位差信號(hào)依附于電壓、電流信號(hào)中，如何剔除電壓、電流、頻率變化對(duì)相位差測(cè)量的影響是相位差測(cè)量中很重要的一個(gè)方面；其次相位差是一個(gè)比較量，測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)之間的相位差不僅需要保證兩路信號(hào)的頻率相同，而且要排除由于兩路信號(hào)的幅值等其它因素不一致而對(duì)測(cè)量造成的影響。 相位差是工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域經(jīng)常需要測(cè)量的參數(shù)，如電力系統(tǒng)中功率因數(shù)的測(cè)量、鐵路系統(tǒng)中相敏軌道電路相位差的測(cè)量以及科氏質(zhì)量流量計(jì)中的相位差測(cè)量等等 。 對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展 。 文章主要介紹設(shè)計(jì)方 案的論證、系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì) ,給出了詳細(xì)的系統(tǒng)硬件電路圖和系統(tǒng)軟件主程序流程圖 。 該設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)，最終驗(yàn)證了該測(cè)量系統(tǒng)的可行性和有效性。 存檔日期： 存檔編號(hào)： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 論 文 題 目： 基于 FPGA 和 MCU 的相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 XX大學(xué)教務(wù)處印制 I 摘 要 隨著社會(huì)和歷史的不斷進(jìn)步， 相位測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向 高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，數(shù)字式 相位測(cè)量?jī)x 因其高精度的測(cè)量分辨率以及高度的智能化、直觀化的特點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 本文首先論述了相位測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，并根據(jù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了此相位測(cè)量系統(tǒng)。 該設(shè)計(jì) 采用單片機(jī)與 FPGA 相結(jié)合的電路實(shí)現(xiàn)方案 ,很好地發(fā)揮了 FPGA 的 運(yùn)算速度快、資源豐富、編程方便的特點(diǎn) ,并利用了單片機(jī)的較強(qiáng)運(yùn)算、控制功能 ,使得整個(gè)系統(tǒng)模塊化、硬件電路簡(jiǎn)單、使用操作方便 。 關(guān)鍵詞 : 數(shù)字式 相位測(cè)量?jī)x 單片機(jī) FPGA 設(shè)計(jì)方案 II Abstract Along with the social and historical progress, phase measurement technology is widely used in national defense, scientific research, production and other fields, on the phase measurement requirements are also gradually to high precision, high intelligent direction, in the range of low frequency digital phase measurement instrument, because of its high precision measurement resolution and highly intelligent, intuitive characteristics have been more and more widely applied. This text first discusses the phase measuring technology development in domestic and international, and according to the present situation designs the phase measuring system. The design includes system design theory analysis, system structure design and hardware realization, finally verified the feasibility and validity of the system. The bination of MCU and FPGA is adopted in the design .It has the features of FPGA high operating speed, abundant resources and convenient programming. And the use of MCU’s strong operation and control function, which makes the whole system modularized, the hardware circuit is simple and the operation is convenient. The paper mainly introduces the designs of the demonstration, hardware and software, the hardware circuits and main software program are given in detail. III Keywords: Digital phase measuring instrument MCU FPGA Design strategy IV 目 錄 摘 要 .................................................. I Abstract ............................................... II 1 緒 論 ............................................... 1 課題背景及研究意義 ........................................... 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài) ............................................... 1 課題設(shè)計(jì)任務(wù) ................................................. 3 2 設(shè)計(jì)方案論證 ......................................... 4 以 MCU 為核心的實(shí)現(xiàn)方案 ....................................... 4 以 MCU 和 FPGA 相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案 ................................ 8 兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的比較 .......................................... 11 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ........................................ 13 輸入模塊設(shè)計(jì) ................................................ 13 基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) ................................. 14 基于 MCU 的數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì) .................................. 16 顯示模塊設(shè)計(jì) ................................................ 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ........................................ 20 FPGA 的 Verilog HDL 程序設(shè)計(jì) .................................. 20 MCU 的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) ....................................... 24 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................ 29 致 謝 ................................................ 30 [參考文獻(xiàn) ] ............................................. 31 V 附錄 1 .................................................. 32 附錄 2 .................................................. 33 XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 FPGA 和 MCU的相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 1 1 緒 論 課題背景及研究意義 隨著社會(huì)和歷史的不斷進(jìn)步， 科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子 技術(shù)廣泛應(yīng)用于 工業(yè)、交通、 國(guó)防、科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域， 而相位測(cè)量技術(shù)又是電子技術(shù)中進(jìn)行信息檢測(cè)的重要手段，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有舉足輕重的作用和地位。 在低頻范圍內(nèi)，相位測(cè)量在電力、機(jī)械等部門(mén)有著尤其重要的意義，對(duì)于低頻相位的測(cè)量，用傳統(tǒng)的模擬指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式儀表因其高精度的測(cè)量分辨率以及高度的智能化、直觀化 的特點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 而相位差的測(cè)量又不同于傳統(tǒng)的電壓、電流信號(hào)或物位、溫度量的測(cè)量。因此，如何準(zhǔn)確可靠地測(cè)量相位差是值得研究的課題 [1]。相位測(cè)量?jī)x可應(yīng)用于變壓器件生產(chǎn)廠，收錄機(jī)，電視機(jī)，整機(jī)生產(chǎn)廠或有關(guān)科研單位，作為產(chǎn)品驗(yàn)收，檢驗(yàn)，樣品分析的測(cè)試儀器，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率的最佳輔助工具。而數(shù)字化測(cè)量技術(shù)則已經(jīng)成為數(shù)字化制造技XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 FPGA 和 MCU的相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 2 術(shù)的一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵組成部分，采用適度先進(jìn)的信息化數(shù)字測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品來(lái)迅速提升我國(guó)裝備制造業(yè)水平，是當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展方向。 通常的測(cè)量方法是對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行處理，應(yīng)用過(guò)零檢測(cè)的方法使其變換成兩個(gè)方波，然后對(duì)這兩個(gè)方波進(jìn)行比較得到鑒相脈沖，即相位差脈寬。 相位的數(shù)字測(cè)量方法基本分為硬件電路測(cè)量和 A/D采樣后利用軟件計(jì)算兩種。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及其外圍設(shè)備的日益發(fā)展，以數(shù)字信號(hào)處理為核心的軟件法測(cè)量技術(shù)在相位差的測(cè)量中得到了越來(lái)越多的關(guān)注，并取得了較快的發(fā)展。 目前，