三压法阻抗测量仪的DSP设计.docx
《三压法阻抗测量仪的DSP设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三压法阻抗测量仪的DSP设计.docx（91页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
三压法阻抗测量仪的DSP设计
题目：
三压法阻抗测量仪的设计
摘要
本文讲述利用三压法对阻抗进行测量，根据矢量电压电流法测阻抗的特点，提出了本课题设计的基于DSP的三压法阻抗测量仪的整个框架结构、要实现的功能、实现这些功能的硬件设计方案和部分软件设计思想。
在硬件设计方面，采用了基于DSP的系统。
设计上采用高性能的DSPTMS320LF2407作为处理器，充分利用其强大的运算能力和片内外资源并采用数字信号处理的方法，进行信号的矢量运算，使该测量具有高速，宽量程，测量准确的优点。
在部分软件设计方面，编写了A/D数据采集程序、DSP数据处理和计算程序以及DSP的外设接口程序包括键盘控制和LCD显示程序
论文中详细介绍了测量仪的测量原理和设计方案，给出了硬件电路和软件实现方法以及具体的软、硬件实现过程。
关键词：
阻抗测量，数字信号处理，TMS320LF2407，显示电路
Abstract
Thistexttellstheimpedancemeasurementsusethreevoltages.Accordingtothecharacteristicsofthevectorvoltage/currentmethodandpresentdemandofimpedancemeasuringapparatus,thethesisputforwardsthewholeframework,includingrealizedfunction,hardwaredesignschemeandpartialsoftwaredesignidea.
Forhardwaredesign,thedevelopmentbasesonDSPsystem.TheDSPTMS320LF2407ischosenasthemicroprocessorunitinthedesignandtheDSPalgorithmisselectedtousefulvectorsignal.ThehighspeedoperationabilityandabundantinternalandexternalresourcesofDSPprovidetheequipmentwithadvantagesofhighmeasuringspeedandwidemeasuringrange.
Aboutsoftwaredesign,thisthesisgivesthedesignofthedataacquisitionprogram,DSPdataprocessingandcalculatingprogramandinterfaceprogrambetweenDSPanditsperipheraldevices.
Theprincipleandhardwareschemaoftheapparatusareintroducedinthethesisaswellasthesoftwareprogramming.Thisthesisalsopresentsthehardwarecircuitandsoftwaredesign.
Keywords:
impedancemeasuring,digitalsignalprocessing,TMS320LF2407,displaycircuit
摘要····················································································································1
Abstract·············································································································2
第1章引言···············································································3
1.1技术分析·······················································································5
1.2本文的主要工作···········································································5
1.3本论文的主要内容··········································································5
第2章阻抗测量理论及其方法··················································6
2.1阻抗测量理论···············································································6
2.2阻抗测量方法·················································································6
2.2.1电桥法测量阻抗····································································6
2.2.2电压法测量阻抗原理····························································7
2.3阻抗测量方法的比较·····································································8
2.4方案确定·························································································8
第3章三压法阻抗测量仪硬件设计···········································8
3.1硬件系统的组成··············································································8
3.2模块介绍························································································9
3.2.1DSP最小系统的设计································································9
3.2.2电源转换电路的设计····························································11
3.2.3调理电路的设计······································································12
3.2.4A/D转换电路的设计·······························································14
3.2.5显示电路和键盘接口电路设计··············································16
第4章三压法阻抗测量仪的软件设计········································17
4.1系统软件的总体设计······································································17
4.2TMS320LF2407的C语言开发·······················································18
4.3系统总程序设计··············································································19
4.3.1存储空间地址分配··································································19
4.3.2头文件exp1_2407.h································································19
4.3.3初始化程序··············································································19
4.3.4主程序控制流程······································································20
4.3.5A/D采集程序设计···································································20
4.3.6数据处理程序设计··································································21
4.3.7LCD驱动程序·········································································21
第5章仿真··················································································22
5.1CCS介绍···························································································22
5.2硬件仿真··························································································22
第6章外文资料···········································································23
外文资料翻译····················································································29
第7章论文总结与展望····························································34
7.1总结·······························································································34
7.2展望·······························································································34
收获与心得···················································································35
致谢·······························································································35
参考文献·······················································································36
附录1硬件电路图······································································37
附录2软件程序···········································································38
第1章引言
1.1技术分析
DSP作为数字信号处理芯片，具有强大的运算及数字信号处理能力，近年来在通信，工业控制和测量等领域得到广泛的应用，如机器人控制，移动电话等。
在测量领域，由于DSP运算速度的提高和适于数字信号处理的特点，能够准确的对高低频信号进行处理。
在阻抗测量方面，国际上阻抗测量理论和检测仪器仪表技术大致经历了三个阶段：
第一阶段测量技术主要是采用模拟式测量技术；第二阶段，随着数字电子技术和微电子技术的发展，电测技术和仪表技术逐步向数字化方向发展，早期的模拟式仪表逐渐被数字式仪表代替。
第三阶段，大规模集成电路技术一方面使得控制芯片运算能力大大增强，另一方面使得芯片的体积大幅度缩小，可以方便地植入仪器内部，从而使仪器具有判断、控制、存储、运算甚至更高的智能化特性。
相对国外而言，我国也开发了一些全自动阻抗测量仪，但在功能上、实用化方面未达到理想的效果，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性能单一，已经不能满足市场的要求。
主要有以下问题：
1、处理功能较差，可扩展的存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确严格的算法进行大量的实时处理，不满足高精度测量的要求。
2、常用的微处理器包括51系列和96系列等控制型器件，在计算能力方面已不能很好的适应高精度数字测量的要求。
3、人机交互性不好。
1.2本文的主要工作
在阻抗测量理论发展的基础上，根据阻抗测量实际中各项指标的要求，采用三压法阻抗测量方法，设计和实现一个基于DSP（TMS320LF2407）的阻抗测量仪。
1、整个测量仪的硬件设计，可以分为如下几部分。
设计了DSP与外设接口的硬件电路
实现了阻抗测量仪的LCD显示、键盘控制功能。
2、测量仪的软件部分，编写了A/D数据采集程序，数据处理程序实现了阻抗值的计算。
1.3本论文的主要内容
第二章研究阻抗测量的理论及相关的测量方法，介绍了目前阻抗测量的几种方法，重点介绍了三压法阻抗测量法。
详细分析了他们的优缺点并结合项目的要求选用三压法作为本设计选用的测量方法，给出了相关推导。
第三章给出了三压法阻抗测量仪的硬件电路设计，首先介绍了系统的整体硬件架构和开发要求，在此基础上将系统分为两大模块，即信号采集调理模块和信号处理模块。
对每个模块的设计电路、功能作了详细的说明。
第四章简单介绍了DSP的软件开发环境和流程，然后给出了系统的软件设计，介绍了A/D采集程序以及外设接口程序。
第2章阻抗测量理论及其方法
2.1阻抗测量理论
阻抗测量一般是指电阻、电容、电感及相关参数的测量。
其中，电阻表示电路中能量的损耗，电容和电感则分别表示电场能量和磁场能量的存储和寄生参数对阻抗测量的影响。
由于电阻器、电感器和电容器受到所加电压、电流、频率、温度及其它物质和电气环境的影响而改变阻抗值，因此在不同的条件下其电路的模型不同。
2.2阻抗测量方法
阻抗测量可分为模拟测量方法和数字测量方法两种，本节详细介绍相关的测量方法及其优缺点。
2.2.1电桥法测量阻抗
电桥法是采用模拟法测量阻抗值，早期多采用电桥法测量阻抗值。
电桥法基本工作原理是四臂电桥电路，电路原理图如下：
图中Z1,Z2，Z3，Zx为电桥的四臂的阻抗，其中Zx为所要测量的阻抗。
E为电桥的信号源，G为电桥的平衡指示器，当电桥桥路平衡时，Uab=0，桥臂平衡指示器上无电流流过。
根据克希霍夫定律：
I1=I2,I3=I4,Uca=Ucb，Uad=Ubd
故Z1I1=Z3I3,Z2I2=ZxI4
以上两式相比得：
Z1/Z2=Z3/Zx，Zx=Z2Z3/Z1
这就是电桥法测量的平衡条件，当桥路中有三个桥臂值已知时，待测量阻抗才可以求得。
上图为电桥法原理设计得阻抗测量仪的结构图，它由测量信号源、测量桥路、平衡指示电路、平衡调节电路、显示电路和电源等组成。
电桥法测量的误差一般来源于以下几个方面：
（1）标准元件值的误差：
当标准元件值不准确时会直接影响测量误差，误差的大小决定于电路的形式和元件的准确度。
（2）电桥指示器的误差：
当指示器灵敏度较低时，难于判断最小值的标准位置，因而产生指示误差。
特别是当信号源中含有较高次谐波电压时。
（3）屏蔽不良引起误差：
寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。
2.2.2电压法阻抗测量原理
电桥法测量精度较高能快速测量电感L、电容C、电阻R、损耗因素D、品质因素Q、电导G、电纳B、电抗X和矢量阻抗|Z|及相位角θ,电压法的测量精度较差但是操作方便。
电压法测量阻抗的原理如图
（1）所示。
测量电路中共有3个电压向量
、
、和
。
只要测出他们的有效值
、
和
，利用已知电阻
即可测出阻抗的阻抗模
。
进而利用
、
、和
的向量关系可得到图
（2）所示的电压向量三角形（以感性为例），其中电流向量
与
是同相位。
与
之间的夹角就是阻抗角
，
。
故所测阻抗
.
在测量电路中可以通过DSP的A/D采集模块测出图
（1）中的
、
和
的有效值。
利用编程实现公式
和
的算法。
继而编程实现
公式的结果。
编程让LCD显示结果。
2.3阻抗测量方法的比较
利用电桥法测量阻抗需要搭建起平衡电桥且需要非常灵敏的平衡器，因为是用模拟器件构成，因而在稳定性和准确性上不好，需要进行手动平衡，因此测量繁琐、费时，且测量范围受限，给测量带来极大的不便。
电压法是采用数字测量技术，充分利用计算机的处理能力，进行虚实部的分离的测量，电压法测量阻抗能够充分利用数字信号处理的方法，通过对数字芯片进行简单的硬件连接，用软件编程的方法进行数字滤波和阻抗值的计算，避免了用模拟电路测量阻抗连接电路繁琐，抗干扰性差的缺点。
因此设计上采用电压法进行阻抗的测量。
2.4方案确定
综上所述，在阻抗测量领域，随着计算机技术的发展和应用，数字测量法已经成为当前阻抗测量的主流，在数字测量中，矢量电压法是最经典的方法，它直接来自阻抗的定义，并且能够利用数字信号处理技术进行处理，可以准确有效地测量复阻抗（实部和虚部）。
而且相较传统的模拟测量法，采用数字电子技术设计的测量仪具有测量速度快、准确度高、操作便捷等优点。
因此本设计中采用数字化的矢量电压法测量阻抗，用DSP芯片作为主处理芯片。
充分利用数字信号处理技术。
第3章三压法阻抗测量仪硬件设计
3.1硬件系统的组成
硬件设计是阻抗测量仪实现的基础和平台，硬件系统的功能对整个系统功能的实现起着关键的作用。
本装置设计上采用TI公司的TMS320LF2407作为硬件设计的核心，实现对测量信号的阻抗值的计算任务。
为了方便系统的扩展和满足人机交互的需要，本设计提供了液晶显示界面、键盘控制等。
硬件模块由TMS320LF2407模块、LCD显示电路、键盘电路以及阻抗测量电路组成
系统框图如下：
下面将详细介绍各个模块的设计方法和构成。
3.2模块介绍
信号处理模块实现信号量的模数转化，阻抗值的计算，显示功能。
包括DSP最小系统、A/D采集电路和外设接口单元。
3.2.1DSP最小系统设计
以TMS320LF2407DSP为核心的DSP最小系统除了DSP芯片部分还包括：
（1）时钟电路；
（2）电源电路；
（3）外部扩展存储器
（4）外设接口电路（LCD显示，键盘控制）
TMS320LF2407DSP最小系统示意图如下：
1、TMS320LF2407介绍
本次设计采用TI公司的TMS320LF240x芯片作为主要的核心控制器件。
TMS320系列包括：
定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点DSP控制器。
TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。
下列特性使得TMS320系列成为很多信号处理及控制应用的理想选择：
·灵活的指令集
·内部操作灵活性
·高速的运算能力
·改进的并行结构
·有效的成本
在TMS系列DSP的基础上，TMS320LF240xDSP有以下一些特点：
·采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力。
·基于TMS320C2xxDSP的CPU核保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。
·片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字的双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）.
·两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括：
两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。
他们能够实现：
三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道A/D转换器。
事件管理器用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。
·可扩展的外部存储器（LF2407）总共192K字空间；64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间。
·看门狗定时器模块（WDT）
·10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择有两个时间管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
·控制器局域网络（CAN）2.0B模块。
·串行通信接口（SCI）模块。
·16位的串行外设（SPI）接口模块。
·基于锁相环的时钟发生器。
·高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）。
·5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。
·电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件输入低功耗工作模式。
2、时钟电路设计
TMS320LF2407有多个部件需要时钟，有CPU、看门狗电路、ADC和事件管理器等片上外设。
（1）、CPU时钟
F2407的时钟电路如下图所示：
PLL使用外部滤波器的电路来抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和电
升级会员 