Design of a New AC Voltage Meter System based on SoC

摘要: 智能化微機(jī)測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用己經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。不但國防技術(shù)、航空、航天、鐵路、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)，就連在日常生活中也得到廣泛的應(yīng)用。本文在研究國內(nèi)外有關(guān)智能儀器儀表最新科研成果的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)作為測量儀器的主控制器，從軟硬件方面出發(fā)設(shè)計出可與上位計算機(jī)進(jìn)行通信的新型交流電壓表系統(tǒng)。
Abstract: The intelligent computer measurement and control technology is developed and common used in different areas in our life. It’s not only used in aviation, railways, biological fields, but also used in our daily life. In this paper，on the basis of studying the up to date fruit of instrument ,a new instrument which adopts singlechip as control core and which can communicate with the PC is designed.
關(guān)鍵字: 智能儀表；電壓表；單片機(jī)；采樣
Keywords: Intelligent Instrument; Voltage Meter; SoC; Sampling

1 引言
近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，正在引起測量、控制儀表領(lǐng)域新的技術(shù)革命。本著改造傳統(tǒng)面板式儀表的目的，本文采用單片機(jī)作為測量儀器的主控制器，設(shè)計出可與上位計算機(jī)進(jìn)行通信的新型交流電壓表系統(tǒng)。這種以單片機(jī)為主體的新型智能儀表將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，在測量過程自動化，測量結(jié)果數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面都取得了巨大的進(jìn)步。
2 智能交流電壓表的硬件設(shè)計
2.1 硬件系統(tǒng)概述
智能交流電壓表采用PIC16C63作為主處理器，系統(tǒng)主要由信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、時鐘計時、顯示、與上位機(jī)(PC機(jī))通信等幾個功能模塊組成。系統(tǒng)框圖如下圖1所示:
 
圖1 硬件原理框圖
被測交流電壓由精密電阻分壓得到與輸入被測電壓成比例的交流電壓值;由運算放大器OP07放大;經(jīng)整流濾波得到與輸入電壓成比例的直流電壓值。由壓頻轉(zhuǎn)換芯片LM331轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號。由單片機(jī)在固定時間(200ms)內(nèi)對脈沖信號進(jìn)行計量，從而完成A/D轉(zhuǎn)換的功能。再由單片機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度變換，得到被測電壓數(shù)值(BCD碼)，通過單片機(jī)驅(qū)動四個LED數(shù)碼管顯示結(jié)果。
智能電壓表有簡單的監(jiān)控功能，每一小時由時鐘芯片通過中斷方式要求單片機(jī)記錄當(dāng)時電壓數(shù)值，并記錄最近24小時的電壓值。由上位PC機(jī)對所記錄電壓值進(jìn)行顯示、保存，并形成相應(yīng)圖形予以直觀顯示，表明當(dāng)前電壓情況。通過智能交流電壓表，達(dá)到了監(jiān)控交流電壓有效值變化的目的。
2.2 電壓信號采樣
電壓信號采樣模塊中，被測電壓信號經(jīng)過兩個電阻串聯(lián)分壓，幅值降低1000倍，再由運算放大器OP07進(jìn)行放大，再由兩個二極管線性整流，整流后的脈動直流經(jīng)n型濾波電路濾波得到平直的直流信號，送LM331的電壓輸入端。圖2為采樣部分的原理圖。
 
圖2 采樣部分原理圖
2.3 時鐘芯片單元
在系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)常需要有時鐘，好比單片機(jī)內(nèi)帶了一塊鐘表一樣例如電子考勤機(jī)不僅要記錄員工的身份號碼，同時需要記錄出入門禁的時間。又比如復(fù)費率電表，把一天24小時劃分為若干個時段，每一個時段有不同的費率，有了時鐘就可以根據(jù)不同時段來計費。
單片機(jī)內(nèi)有定時器/計數(shù)器，可以用軟件來定時，但這要占用片內(nèi)資源(占用一路定時器/計數(shù)器)，而且編程十分復(fù)雜，在本智能電壓表的設(shè)計中，如采用定時器通過軟件定時，可能出現(xiàn)定時器中斷影響單片機(jī)計量脈沖的準(zhǔn)確度，甚至發(fā)生計數(shù)錯誤。反復(fù)的定時器中斷在單片機(jī)以查詢的方式通訊時，可能造成通信錯誤或通信失敗。
因此，在這些情況下，多采用實時時鐘芯片。時鐘芯片的種類很多。有并口方式的器件，如MC146818,MSM6242等，有串口I2C方式的DS1302, PCF8563, PCF8583，以及串口SPI方式的DS12887, RTC4553等等。
在設(shè)計中我試用了DS1302, PCF8563, RTC4553等時鐘芯片。最后我采用了ESPON公司的RTC8025這一款由ESPON公司最新推出的串口I2C方式的實時時鐘芯片，它所獨有的固定周期中斷功能，恰好滿足了我的設(shè)計要求，簡化了硬件電路，編程也變的簡單。
2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
V/F式A/D轉(zhuǎn)換器的核心部件是電壓-頻率變換器(V/F)。它是把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓V，先變換成脈沖信號，該脈沖信號的重復(fù)頻率與信號幅值成正比，然后在一段標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)。用計數(shù)器累積所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。這就是電壓-頻率-數(shù)字變換原理。V/F轉(zhuǎn)換器的典型電路由圖3。該電路由積分器、比較器、恒流源、單脈沖發(fā)生器和模擬開關(guān)組成。
轉(zhuǎn)換開始時，開關(guān)K斷開，VA單獨作用于積分器。輸出負(fù)斜波電壓VO。當(dāng)VO≤VR，比較器輸出一個負(fù)脈沖，觸發(fā)單脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個寬度為T2的控制脈沖，該信號使K閉合，將恒流源與積分器的A點接通。因為在設(shè)計上保證在數(shù)值上IO≥II,，而II=VA/R，且兩者極性相反，所以VO波形開始回掃，經(jīng)過T2時間，單脈沖發(fā)生器恢復(fù)原態(tài)，K又?jǐn)嚅_，積分器又在II作用下輸出負(fù)斜波。上述過程周而復(fù)始，在比較器的輸出端得到一系列的負(fù)脈沖。