《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于AVR單片機(jī)與FPGA的低頻數(shù)字式相位測量儀
電子設(shè)計(jì)工程
井新宇 江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院
摘要: 摘要:提出了以AVRATmega128單片機(jī)和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。分析了數(shù)字式低頻相位測量儀的測量原理和測量誤差及其消除的方法。利用單片機(jī)強(qiáng)勁的運(yùn)算、控制功能和FPGA運(yùn)算速度快、資
Abstract:
Key words :

摘要:提出了以AVR ATmega128單片機(jī)和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。分析了數(shù)字式低頻相位測量儀的測量原理和測量誤差及其消除的方法。利用單片機(jī)強(qiáng)勁的運(yùn)算、控制功能和FPGA運(yùn)算速度快、資源豐富的特點(diǎn)。主要介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明,此方案設(shè)計(jì)的相位儀對低頻正弦波信號實(shí)現(xiàn)精確測頻和測相位差,具有處理速度快、穩(wěn)定可靠、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:數(shù)字相位儀;單片機(jī);FPGA;誤差;頻率;相位差

    在工業(yè)領(lǐng)域中經(jīng)常要用到低頻數(shù)字式相位儀來精確測量兩信號之問的相位差,比如在電力系統(tǒng)、頻率特性的研究、激光測距等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用,相位檢測的精度直接決定系統(tǒng)的整體性能。這就要求測量儀逐漸向智能化和測試自動化方向發(fā)展,本設(shè)計(jì)采用MCU和FPGA相結(jié)合的系統(tǒng)方案,以AVR單片機(jī)ATmega128和Altera公司的Cyclone系列EP1C3T100為核心,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,如AVR單片機(jī)先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)勁的運(yùn)算、控制功能,Altera公司的FPGA運(yùn)算速度快、資源豐富以及易編程的特點(diǎn),合理設(shè)計(jì),此方案的相位儀具備速度快、穩(wěn)定可靠、精度高等優(yōu)點(diǎn),而且容易實(shí)現(xiàn)“智能化”和“自動化”。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 測量方法的比較與選擇
    目前相位測量的方法主要有兩種:
    1)DFT測相法即將待測信號通過A/D轉(zhuǎn)換得到f(n),f(n)按離散傅里葉變換得出離散頻譜F(k),f(n)和F(k)為傅里葉變換對,通過運(yùn)算得到兩路信號的基波相位,從而計(jì)算出相位差。DFT測相法的精度受限于ADC的采樣精度,需要高速ADC對信號進(jìn)行過采樣,測量方案復(fù)雜,可以通過采集卡在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器,所以主要應(yīng)用在精度要求很高的場合和虛擬儀器中。
    2)填充計(jì)數(shù)測相法 即兩路同頻的正弦信號經(jīng)過信號整形電路后得到方波信號,方波信號經(jīng)過鑒相器后,得到兩路輸入信號的相位差信號,用固定頻率的采樣脈沖進(jìn)行填充并計(jì)數(shù),從而計(jì)算出相位差。填充計(jì)數(shù)測相法主要應(yīng)用在要求一定的精度,測量的頻率不是太高但實(shí)時性要求很強(qiáng)的場合,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動化,低頻數(shù)字相位儀適合用填充計(jì)數(shù)法。
    填充計(jì)數(shù)測相法的基本算法:若正弦波整形后的方波信號頻率為f,周期為T,采樣脈沖周期為TC,方波一個周期內(nèi)對采樣脈沖計(jì)數(shù)為,n則被測信號頻率f=1/T=1/nTC。同樣的方法測出兩個同頻正弦波起點(diǎn)之間的時間差為△t,則兩信號的相位差△θ=△t·360°/T。
1.2 系統(tǒng)方案的確定
    由系統(tǒng)測量方法可知,數(shù)據(jù)需要采集、運(yùn)算及顯示,考慮到Field Programmable Gate Array(FPGA)集成度高、I/O資源豐富、穩(wěn)定可靠,選擇余地大,外圍元件很少,近年來價格下降等優(yōu)勢,以及MCU良好的人機(jī)接口和運(yùn)算控制功能,所以本系統(tǒng)由MCU和FPGA相結(jié)合構(gòu)成測控主體。FPGA負(fù)責(zé)采集測頻和測相位差的脈沖信號,MCU負(fù)責(zé)讀FPGA采集的數(shù)據(jù),計(jì)算待測信號頻率和相位差并在LCD上顯示。
    所以,系統(tǒng)由4個部分組成:待測信號調(diào)理電路、FPGA數(shù)據(jù)采集電路、MCU數(shù)據(jù)運(yùn)算控制電路和LCD數(shù)據(jù)顯示電路,如圖1所示。

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2 測量誤差的分析與消除
    相位測量儀的完善設(shè)計(jì),不僅要有合適的測量方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,還需要著重分析誤差產(chǎn)生的原因和確定消除的方法。
    1)填充時鐘頻率(即數(shù)據(jù)采樣信號)的影響與確定本相位測量儀的測頻范圍為20 Hz~20 kHz,相位差的范圍為△θ=0°~359.9°,相位差的顯示分辨率為0.1°,要求測量相位的絕對誤差≤2。
    被測頻率20 Hz≤f≤20 kHz,則周期50μs≤T≤50 ms。
    T=50 μs,絕對誤差取0.1°~2°。
    則填充時鐘信號周期:0.1°x50 μs/360°≤TC≤2°x50 μs/360°即:1/72(μs)≤TC≤1/3.6(μs),可以得出填充時鐘頻率:
3.6 MHz≤fC≤72 MHz。
    T=50ms內(nèi)對TC=1/3.6(μs)的填充脈沖計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值Nmin=180000≤218;對TC=1/72(μs)的填充脈沖計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值Nmax=3600000≤ 222。
    本設(shè)計(jì)考慮MCU的計(jì)算及分頻取得信號的方便,填充時鐘信號頻率fC=20 MHz,測量絕對誤差<1°,F(xiàn)PGA在20 MHz時鐘信號作用下對待測信號周期和相位對應(yīng)的時間差進(jìn)行計(jì)數(shù),F(xiàn)PGA采樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位為20 bit,可以保證測量的精度。
    2)待測信號調(diào)理電路中零點(diǎn)漂移的影響與消除待測信號調(diào)理電路主要作用是把輸入信號整形變換成矩形波,通常采用過零比較器或者施密特觸發(fā)器。
    過零比較器在零點(diǎn)電位附近可能會有振蕩,輸入信號在零點(diǎn)電位附近時,電壓比較器處于放大區(qū),整形后的矩形波在邊沿會產(chǎn)生抖動,使系統(tǒng)無法進(jìn)行測量。要消除這種抖動,可以采用施密特觸發(fā)器。為了保證測量的精度,施密特觸發(fā)器必須符合兩個條件:一是兩路被測信號幅度基本相等,二是門限電平要基本接近。
    3)整形后方渡邊沿的陡峭程度的影響與消除信號經(jīng)過整形后輸出的矩形脈沖信號直接送給FPGA,則FPGA不能立即獲取穩(wěn)定的數(shù)字脈沖信號,就會使系統(tǒng)的精度受到很大影響。這主要是由于整形后方波邊沿不夠陡峭造成的。要解決此問題,一是選取具有較大壓擺率的器件,二是在比較器的后端加一級微分電路來提升脈沖信號的邊沿。
    4)中低頻測量精度的影響與消除采用20 MHz數(shù)據(jù)采樣信號來循環(huán)計(jì)數(shù)被測信號的周期及相位差對應(yīng)的時間差,精度達(dá)到0.05 μs,20位數(shù)字量的單位是0.05μs。利用被測信號刷新采樣計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)高頻多測量,低頻少測量,時間計(jì)數(shù)精確可靠,這樣,F(xiàn)PGA可以為MCU提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
3.1 前端信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
    施密特觸發(fā)器(遲滯比較器)雖然可以很好地消除比較器過零引起的抖動,但是其輸出信號和輸入信號存在相位差,如果兩路被測信號的幅度基本相等且兩個施密特觸發(fā)器的門限電平又很接近,則施密特觸發(fā)器引入的相位誤差對測量系統(tǒng)誤差幾乎無影響。
    采用LM339內(nèi)部有4個獨(dú)立的電壓比較器,該電壓比較器的特點(diǎn)是:失調(diào)電壓小,典型值為2 mV;電源電壓范圍寬,雙電源電壓為±1~±18 V;對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬。同相和反相輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài),輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管,在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻。在跳變電壓值附近的干擾不超過回差A(yù)U,輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的。正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度。由于遲滯比較器加的正反饋很強(qiáng),遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)得多,所以可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。通過調(diào)節(jié)電位器,使兩個施密特觸發(fā)器的門限電平基本相等,保證輸入電路對相位差測量不帶來誤差。電路如圖2所示。

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3.2 系統(tǒng)測量電路設(shè)計(jì)
    以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)相位儀,如其晶振為24 MHz,單片機(jī)C/T的計(jì)數(shù)誤差為1個機(jī)器周期為±0.5 μs,則絕對誤差為360°x0.5 μs/50μs=3.6°,所以,當(dāng)被測信號頻率很高時很難滿足測量要求。
    本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)與FPGA相結(jié)合的方案,F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,將所測信號的頻率和相位差所對應(yīng)時間差轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳給單片機(jī);單片機(jī)從FPGA獲取數(shù)據(jù),經(jīng)過運(yùn)算、轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理,將被測信號的頻率和相位差在LCD上顯示。
    系統(tǒng)電原理圖如圖3所示。MCU采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)ATmega128,具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu),大多數(shù)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成,有32個8位通用工作寄存器及外設(shè)控制寄存器,克服了一般單片機(jī)單一累加器數(shù)據(jù)處理帶來的瓶頸。有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,4 KB的EEPROM以及4 KB的內(nèi)部SRAM,遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能,支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試,可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。

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    FPGA采用Altem Cyclone系列的EP1C3T100,配置芯片為EPCS1,VHDL功能程序經(jīng)過全編譯會生成.sof和.pof文件,配置的下載為Byte-Blaster II,[Mode]項(xiàng)選擇“JTAG”為把.sof文件配置到FPGA芯片EP1C3T100中,用于調(diào)試;[Mode]項(xiàng)選擇“Active Serial Programming”為把.pof文件下載到配置芯片EPCS1中,系統(tǒng)重新上電時正常運(yùn)行。
    LCD采用HTM12864,為128x64串行數(shù)據(jù)傳送液晶顯示器,背光燈通過光耦受到控制。
    ATmega128和EP1C3T100設(shè)計(jì)各自的JTAG接口。圖3繪出了ATmega128和EP1C3T100的接口D0~D19、EN、Dsel、LCN;ATmega128與HTM12864的接口RET、D/C、SCLK、DATA;EP1C3T100的輸入信號FAin和FBin,66 MHz外部有源晶振,配置芯片EPCS1。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
4.1 FPGA數(shù)據(jù)采集VHDL程序設(shè)計(jì)
    FPGA數(shù)據(jù)采集的VHDL程序設(shè)計(jì)是在Altera QuartuslI開發(fā)軟件平臺及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)上完成的。程序設(shè)計(jì)采用自頂向下(up-to-down)的設(shè)計(jì)方法。FPGA系統(tǒng)的模塊構(gòu)成如圖4所示。采樣信號發(fā)生模塊完成時鐘信號源的分頻工作,得到CLK=20 MHz;待測信號采樣模塊在控制信號產(chǎn)生模塊的周期閘門信號Tk和時間清零信號Tcr的作用下,輸出待測信號周期和相位差數(shù)據(jù);測量數(shù)據(jù)提取模塊在鑒相信號JXc和計(jì)數(shù)提取信號Lad的作用下,并在輸出使能信號EN和數(shù)據(jù)類型信號Dsel控制下分別輸出周期和相位差數(shù)據(jù),交MCU運(yùn)算處理顯示。

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    FPGA在單片機(jī)輸出使能信號EN和數(shù)據(jù)類型信號Dsel控制下,輸出所測信號的頻率和相位差所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)仿真波形如圖5所示。VHDL程序經(jīng)過編譯調(diào)試生成.pof文件下載到配置芯片EPCS1中實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。

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4.2 ATmega128運(yùn)算控制程序設(shè)計(jì)
    AVR單片機(jī)ATmega128從FPGA分別讀取頻率和相位差的20位數(shù)字量,由于FPGA在20 MHz數(shù)據(jù)采集信號作用下對待測信號周期和兩同頻信號的相位差所對應(yīng)的時間差計(jì)數(shù),因此20位數(shù)字量的單位是0.05μs,單片機(jī)對這些數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算,可以得到待測信號的頻率和相位差。
    單片機(jī)運(yùn)算控制程序設(shè)計(jì)思路:單片機(jī)(ATmega128)通過控制信號EN和Dsel從FPGA(EP1C3T100)讀取待測信號的周期和兩待測信號相位差所對應(yīng)的時間差,對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、轉(zhuǎn)換,送液晶顯示器顯示,顯示待測信號的頻率、相位差以及有關(guān)信息。主程序流程圖如圖6所示。源程序由主程序及若干子程序組成,主程序是一個循環(huán)執(zhí)行程序。

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    1)單片機(jī)從FPGA讀數(shù)據(jù)
    根據(jù)MCU與FPGA的20位數(shù)字量的接口,從單片機(jī)的PA、PB和PC(低4位)讀取數(shù)據(jù),組合成20位的數(shù)據(jù),控制線EN和Dsel控制FPGA釋放數(shù)據(jù)。當(dāng)Dad=1時,F(xiàn)PGA向單片機(jī)傳送待測信號的相位差數(shù)據(jù);當(dāng)Dsel=0時,F(xiàn)PGA向單片機(jī)傳送待測信號的周期數(shù)據(jù);當(dāng)EN=1時,F(xiàn)PGA向單片機(jī)釋放數(shù)據(jù),當(dāng)EN=0時,F(xiàn)PGA禁止向單片機(jī)釋放數(shù)據(jù)。
    2)頻率和相位差數(shù)據(jù)的運(yùn)算
    為了測量達(dá)到要求的精度,在運(yùn)算時不能丟失數(shù)據(jù),所以采用擴(kuò)大倍數(shù)定點(diǎn)取數(shù)的方法,保證數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確。依據(jù)如下方法進(jìn)行計(jì)算:信號頻率F=106/T,計(jì)算結(jié)果精確到1 Hz;相位差△θ=△tx360°x10/T,計(jì)算結(jié)果精確到0.1°。
    3)LCD顯示器顯示頻率、相位差等相關(guān)信息
    本設(shè)計(jì)采用HTM12864(128x64)的LCD液晶顯示器,控制器為S6B0724,與單片機(jī)數(shù)據(jù)與控制接口是:CS、RET、D/C、SCLK、DATA,背光燈根據(jù)按鍵動作控制,用按鍵來切換顯來示信息。

5 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)采用MCU和FPGA相結(jié)合的方法,ATmega128單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和運(yùn)算控制功能,而FPGA集成度高、高頻率的數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)勁,它們發(fā)揮各自的優(yōu)勢。均具備JTAG接口在線調(diào)試和編程功能,用此方法設(shè)計(jì)的數(shù)字式相位測量儀具有較高的精度,穩(wěn)定可靠。本儀器測量正弦信號的頻率及兩個同頻正弦信號的相位差,較好地滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。

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