fpga与单片机在rlc测量系统设计中的应用new

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1、万方数据第3期李林等。FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用301FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用李林王心刚(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东东营257061)摘要提供了一种采用FPGA和单片机实现自动测量RLC参数的测量系统。系统以C8051F020MCU单片机作为系统控制器，利用直接数字频率合成(DDFS)技术使用FPGA来产生测试用正弦波，利用电抗元件串联分压原理，实现对电阻、电容、电感的精确测量。本测量系统结构简单，并进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，保证系统可靠工作。关键词C8051F020FPGADDS电阻电容电感测量中图分类

2、号TP31l文献标识码A文章编号1000—3932(2011)03-0301-03为了方便用户准确掌握手中RLC(电阻电容电感)的各项参数，笔者提供了一种采用FPGA和MCU的测量系统，可自动测量RLC的多项基本参数，系统以液晶屏显示测量结果，并可根据需要打印测量的结果，与现有的昂贵测试仪相比，该测量系统功能精简、操作智能化、人机接口友好。1方案设计与论证为满足高校实验室教学需要，设计一个低成本RLC电参数测量系统，本系统采用基于C8051F020单片机的可编程控制系统方案，单片机生成各种波形的数据表传输给FPGA，使用DDFS技术使FPGA生成所需要的波形并进行输出，通过DA

3、转换模块，将数字信号转换成模拟信号，通过程控放大器AD603，由单片机控制AD603进行增益的调整，再经过NE5532构成的调理电路对其进行电压放大¨’2]。产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串连电路，通过测量电容或者电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值，利用C8051F020单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，采用液晶模块实时显示数值。系统总体组成框图如图1所示。1．1DDS简介直接数字频率合成(DDS)技术是通过累加相位来合成所需波形的频率合成技术。利用DDS设计的波形发生器具有精度高、稳定性好

4、、频率和波形易于控制等优点¨1。DDS主要由参考时钟、相位累加器、波形存储器、数模转换器和滤波器组成，近年来在频率合成、通信、仪器测量领域均有键盘输入瑙一面坪I图1系统总框图广泛地应用。1．2信号产生模块要求设计的正弦波信号发生器的频率范围较宽，其频率范围是1Hz～1MHz，且可以对频率进行设置，还有频率步进调节的功能，一般传统的LC谐振回路或无源RC结合运放的方式很难达到这一要求，所以我们提出利用DDS原理使用FPGA实现的解决方案。用FPGA实现波形信号的输出，只需要在FPGA内部建立一个波形数据表，然后在时钟的驱动下，读取数据表中的数据，经过高速DA的转化，即可得出需要的

5、波形。要输出不同的波形，改变波形数据表中的内容即可实现。若要实现频率的设置和步进，只需要给FPGA相应的数据关键字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技术，对于不同波形，可建立不同存储表即可输出相应的波形，也可由外部输入波形表来完成任意波形的输出。频率范围高、精度高，方便收稿日期：20011-01—18(修改藕)基金项目：山东省自然科学基金项且资助(ZR2009FL027)万方数据化工自动化及仪表第38卷与其它设备接口。FPGA中实现波形输出原理图如图2所示。图2FPGA中实现波形输出原理框图1．3控制器方案选择¨1C8051F020是集模拟和数字信号为一体的混合信号系统级高速

6、单片机，他采用贴片封装，体积小、运算速度快。具有与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51内核，具有所有8052外设器件，采用流水线指令结构，除此之外，C8051F020单片机具有丰富的I／O，具有高达20个中断源，而且具有丰富的外设：UART、SPI、ADC、定时器等。该单片机具有高达128k的FLASH和8k+256的RAM，无需外部扩展便可实现高速度运算和掉电存储，并具有JTAG接口，便于在线调试，非常适合于各种工业控制和仪表的使用。1．4信号调理模块增益可调的AD603的放大倍数可以通过单片机调节，由微控制器来判断当前信号幅度的大小，经过一定的运算处理后给出一一对应的数

7、字量控制信号，然后经过DA转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益，可以输出电压的连续变化。NE5532可实现固定放大倍数放大H’51。AD603通过软件控制输出，使之输出电压连续变化通过调节反馈电位器可实现输出幅度不小于5V，信号调理电路如图3所示。图3信号调理电路1．5时间模块利用DSl2887作为时钟显示模块。DSl2887自带晶体振荡器和电池，连接方便。通过修改其内部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887内部自带114字节通用RAM，因此可以通过它实现掉电存储功能。2理论