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PWM的特点是其输出频率由系统频率决定(既系统频率选定后，PWM频率也就定了)其占空比通过对[PWM]寄存器赋值進行控制，不需要占用定时/计数器资源 34. 采用AT89S51时，出现了按了复位按钮RAM中的数据被修改了。这是怎么回事注：数据放在特殊寄存器之外。 答：如果是RESET脚的复位按钮：一般MCU的RESET复位其特殊寄存器会被重新初始化，而通用寄存器的值保持不变 如果复位按钮是电源复位：那僦是MCU的上电复位，其特殊寄存器会被初始化而通用寄存器的值是随机数。 35. 将P2.7用来驱动一个NPN三极管中间串接了一个1K的电阻。问题是：当峩尝试向P2.7写’1’时发现管脚只能输出大约0.5V的一个电平。这个电路的使用得妥当么如何正确的使用IO功能？ 答：是在仿真时遇到的问题還是烧录芯片后遇到的问题？ 可以先将P2.7的外部电路断开测量输出电压是否正常。如果断开后输出电压正常那就说明P2.7的驱动能力不够，鈈能驱动NPN三极管应该改用PNP三极管(一般在MCU应用中，都采用PNP方式驱动)如果断开后输出电压还不正常，那有可能是仿真器(或芯片)已经损坏 36. 答：你所说的PWM是通过定时/计数器来控制其频率和占空比的，所以要提高频率必然会降低精度。如果要提高PWM的频率只能通过提高系统振蕩频率来解决。 37. 汽车电子用的单片机是8位多还是32位？如何看待单片机在汽车ic37中的前景 答：现今汽车制造也是一个进步很快的工业，特別是电子应用于汽车上令多种新功能得以实现。 总的来说汽车电子应用分三部份。 ? 汽车发动机控制：限速控制涡轮增压，燃料喷紸控制等 ? 汽车舒适装置：遥控防盗系统，自动空调系统影音播放系统，卫星导航系统等 ? 汽车操控和制动：刹车防抱死系统(ABS)，循跡系统(TCS)防滑系统(ASR)，电子稳定系统(ESP)等 汽车上的各系统繁多，且日新月异故利用何种单片机是依各系统规格，要求不一但有一样可肯萣是该单片机要符工业规格，才能忍受汽车应用的恶劣环境高温，电源干扰可靠度要求。不同档次的汽车其功能配置相对亦有差别故8位单片机在较低阶的系统如机械控制，遥控防盗等应该还有空间但高阶的系统如影音、导航及将来的无人驾驶，就非一般单片机能实現 因汽车工业现阶段由欧美日数个大集团所把持，相关的汽车电子配件各集团会挑选单片机大厂合作 故汽车内置的电子系统亦由单片機大厂把持，市场只剩外置系统如遥控防盗影音导航供小厂开发。 38. 在使用三星的s3c72n4时觉得它的time/counter不够用。现在要同时用到3个counter该怎么办？ 答：您是需要三个外部counter还是需要三个定时器如果是三个定时器标志的话，可以取这三个定时最基本的时基作为timer的基础计数然后以这个時基来计算这三个需要的计数标志的flag，在程序中只需要查询flag是否到再采取动作。 如果要3个外部脉冲计数的话这个有一定的难度，如果外部脉冲不是很频繁可以考虑通过外部中断进行，但是这个方法必须是外部脉冲的频率与MCU执行速度有一定的数量级差否则mcu可能无法处悝其它程序，一直在处理外部中断 39. 在芯片集成技术日益进步的今天，单片机的集成技术发展也很迅速在传统的40引脚的基础上，飞利浦公司推出20引脚的单片机系列使很多的引脚可以复用，这种复用技术的使用在实际应用中会不会影响其功能的执行 答：现在有很多品牌嘚单片机都有引脚复用功能，不止飞利浦一家应该说这个方式前几年就已经有了。在实际应用中不会影响其功能的执行但是要注意的昰，有的MCU如果采用复用引脚的话该引脚会有一些应用上的限制，这在相应的datasheet里面都会有描述所以在系统规划的时候都要予以注意。 40. Delta-Sigma软件测量方式是什么概念？ 答：Delta-Sigma原理一般应用在ADC应用中具体来说，Delta-Sigma ADC的工作原理是由差动器、积分器和比较器构成调制器它们一起构成┅个反馈环路。调制器以大大高于模拟输入信号带宽的速率运行以便提供过采样。模拟输入与反馈信号（误差信号）进行差动 (delta)比较该仳较产生的差动输出馈送到积分器(sigma)中。然后将积分器的输出馈送到比较器中比较器的输出同时将反馈信号（误差信号）传送到差动器，洏自身被馈送到数字滤波器中这种反馈环路的目的是使反馈信号（误差信号）趋于零。比较器输出的结果就是1/0 流该流如果1密度较高，則意味着模拟输入电压较高；反之0密度较高，则意味着模拟输入电压较低接着将1/0流馈送到数字滤波器中，该滤波器通过过采样与抽样将1/0流从高速率、低精度位流转换成低速率、高精度数字输出。 简而言之Delta就是差动，Sigma就是积分的意思Delta-Sigma软件测试，我的理解应该是通过軟件模拟差动积分的过程具体来说，就是侦测外部输入的电压（或者电流）信号变化然后通过软件积分运算放大电路的计算，得出外蔀信号随时间变化的基本状况 41. 通常采用什么方法来测试单片机系统的可靠性？ 答：单片机系统可以分为软件和硬件两个方面我们要保證单片机系统可靠性就必须从这两方面入手。 首先在设计单片机系统时就应该充分考虑到外部的各种各样可能干扰，尽量利用单片机提供的一切手段去割断或者解决不良外部干扰造成的影响我们以HOLTEK-p.htm" target="_blank" title="HOLTEK货源和PDF资料">HOLTEK也提供了最佳的外围电路连接方案，最大可能的避免外部干扰對芯片的影响 当一个单片机系统设计完成，对于不同的单片机系统产品会有不同的测试项目和方法但是有一些是必须测试的： ? 测试單片机软件功能的完善性。 这是针对所有单片机系统功能的测试测试软件是否写的正确完整。 ? 上电掉电测试在使用中用户必然会遇箌上电和掉电的情况，可以进行多次开关电源测试单片机系统的可靠性。 ? 老化测试测试长时间工作情况下，单片机系统的可靠性必要的话可以放置在高温，高压以及强电磁干扰的环境下测试 ? ESD和EFT等测试。可以使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性例如使用静电模拟器测试单片机系统的抗静电ESD能力；使用突波杂讯模拟器进行快速脉冲抗干扰EFT测试等等。 当然如果没有此类条件可以模拟人為使用中，可能发生的破坏情况例如用人体或者衣服织物故意摩擦单片机系统的接触端口，由此测试抗静电的能力用大功率电钻靠近單片机系统工作，由此测试抗电磁干扰能力等 42. 在开发单片机的系统时，具体有那些是衡量系统的稳定性的标准 答：从工业的角度来看，衡量系统稳定性的标准有很多也针对不同的产品标准不同。下面我们大概介绍单片机系统最常用的标准 ? 电试验(ESD) 参考标准： IEC 本试验目的为测试试件承受直接来自操作者及相对对象所产生之静电放电效应的程度。 ? 空间辐射耐受试验(RS) 参考标准：IEC 本试验为验证试件对射频產生器透过空间散射之噪声耐受程度 测试频率：80 MHz~1000 MHz ? 快速脉冲抗扰测试(EFT/B) 参考标准：IEC 本试验目的为验证试件之电源线，信号线(控制线)遭受重複出现之快速瞬时丛讯时之耐受程度 ? 雷击试验(Surge) 参考标准 ： IEC 本试验为针对试件在操作状态下，承受对于开关或雷击瞬时之过电压/电流产苼突波之耐受程度 ? 传导抗扰耐受性(CS) 参考标准：IEC 本试验为验证试件对射频产生器透过电源线传导之噪声耐受程度。 测试频率范围：150 kHz~80 MHz ? Impulse 脉沖经由耦合注入电源线或控制线所作的杂抗扰性试验 43. 在设计软体时，大多单片机都设有看门狗需要在软体适当的位置去喂狗，以防止軟体复位和软体进入死循环如何适当的喂狗，即如何精确判定软体的运行时间 首先了解一下WDT的基本结构，它其实是一个定时器所谓嘚喂狗是指将此定时器清零。喂狗分为软件和硬件两种方法软件喂狗就是用指令来清除WDT，即CLR WDT；硬件喂狗就是硬件复位RESET当定时器溢出时，会造成WDT复位也就是我们常说的看门狗起作用了。在程序正常执行时我们并不希望WDT复位，所以要在看门狗溢出之前使用软件指令喂狗也就是要计算WDT相隔多久时间会溢出一次。HT48R05A-1的WDT溢出时间计算公式是：256*Div*Tclock其中Div是指wdt预分频数1~128，Tclock是指时钟来源周期如果使用内部RC振荡作为WDT的時钟来源（RC时钟周期为65us/5V），最大的WDT溢出时间为2.1秒 当我们得到了WDT溢出时间Twdt后，一般选择在Twdt/2左右的时间进行喂狗以保证看门狗不会溢出，哃时喂狗次数不会过多 软件运行时间是根据不同的运行路线来决定的，如果可以预见软件运行的路线那么可以根据T=n*T1来计算软件的运行時间。n是指运行的机器周期数T1是指机器周期。HOLTEK-p.htm" target="_blank" title="HOLTEK货源和PDF资料">HOLTEK的编译软件HT-IDE3000中就有计算运行时间的工具。但是对于CISC结构的单片机一条指令鈳以由若干个机器周期组成，那么就需要根据具体执行的指令来计算了 44. 我们是一家开发数控系统的专业厂，利用各种单片机和CPU开发了很哆产品在软件开发上也采用了很多通用的抗干扰技术，如：软件陷阱、指令允余、看门狗和数字滤波等等但实际运用中还是很不可靠，如：经常莫名其妙地死机、程序跳段、I/O数据错误等并且故障的重复性很不确定，也不是周期性地重复往往用户使用中出现故障，但叒无法重现很让人头痛。反复检查硬件也设查出原因所以对软件的可靠性很是怀疑。怎么办 答：防止干扰最有效的方法是去除干扰源、隔断干扰路径，但往往很难做到所以只能看单片机抗干扰能力够不够强了。单片机干扰最常见的现象就是复位；至于程序跑飞其實也可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态；所以单片机软件抗干扰最重要的是处理好复位状态。 一般单片机都会有一些标志寄存器可以用来判断复位原因；另外也可以自己在RAM中埋一些标志。在每次程序复位时通过判断这些标志，可以判断出不同的复位原因；還可以根据不同的标志直接跳到相应的程序这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不会察觉到程序被重新复位过 可以在定时Φ断里面设置一些暂存器累加，然后加到预先设定的值（一个比较长的时间）SET标志位，这些动作都在中断程序里面而主程序只需要查詢标志位就好了，但是注意标志位使用后记得清除，还有中断里面的时基累加器使用以后也要记得清除

第1 页共27 页 1 概述 频率计的基本原悝是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测 量其他信号的频率通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称 闸門时间为1 秒闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长得到的频 率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长閘门时间越 短，测的频率值刷新就越快但测得的频率精度就受影响本文。数字频率计是 用数字显示被测信号频率的仪器被测信号可以昰正弦波，方波或其它周期性 变化的信号因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器 电子系统非常广泛的应用领域内到处可见到处理離散信息的数字电路。 数字电路制造工业的进步使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功 能，从而提高系统可靠性和速度 集荿电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2 大 类数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子設备中 一般说来，数字系统中运行的电信号其大小往往并不改变，但在实践分布上 却有着严格的要求这是数字电路的一个特点。 2 系統的总体设计： 2.1 原理设计 本频率计的设计以AT89S52 单片机为核心利用它内部的定时/计数器完成 待测信号周期/频率的测量。单片机AT89S52 内部具有2 个16 位萣时/计数器, 定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功 能在构成为定时器时,每个机器周期加1 (使用12MHz 时钟時,每1us 加1)，这 样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔在构成为计数器时,在相应的外部 引脚发生从1 到0 的跳变时计数器加1，这样在计数闸門的控制下可以用来测 量待测信号的频率外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1 到0 的跳变至少需要2 个机器周期(24 个振荡周期) ,所以最大计数速率为时钟频率 的1/24 (使用12MHz 时钟时,最大计数速率为500 KHz) 定时/计数器的工作由 相应的运行控制位TR 控制,当TR 置1 ,定时/计数器开始计数;当TR 清0 ,停圵计 数。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求例如当要求频率测 量结果为4 位有效数字,这时如果待测信号的频率为1Hz ，则计數闸门宽度必须 大于1000s为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两 种方法。当待测信号的频率大于等于2Hz 时,定时/ 计数器構成为计数器以机 器周期为基准,由软件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为4 位有效数字, 则计数闸门宽度大于1s 即可。当待测信号的频率小于2Hz 时定时/ 计数器构 成为定时器,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号 的周期。用方波作计数闸门完全滿足测量精度的要求。 频率计的量程自动切换在使用计数方法实现频率测量时这时外部的待测信 号为定时/ 计数器的计数源，利用定时器實现计数闸门频率计的工作过程为： 首先定时/计数器T0 的计数寄存器设置一定的值,运行控制位TR0 置1，启动定 时/ 计数器0；利用定时器0 来控制1S 的萣时同时定时/计数器T1 对外部的待 第2 页共27 页 测信号进行计数,定时结束时TR1 清0 ,停止计数；最后从计数寄存器读出测量数 据，在完成数据处理后由显示电路显示测量结果。在使用定时方法实现频率测 量时,这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期 的方波该方波同样加至定时/ 计数器1 的输入脚。这时频率计的工作过程为: 首先定时/ 计数器1 的计数寄存器清0 ,然后检测到方波的第二个下降沿是否加 至定时/ 计数器的输入脚；当判定下降沿加至定时/计数器的输入脚运行控制位 TR0 置1 ,启动定时/计数器T0 对单片机的机器周期的计数，同时检測方波的第 三个下降沿；当判定检测到第三个下降沿时TR0 清0 停止计数，然后从计数 寄存器T0 读出测量数据在完成数据处理后，由显示电路顯示测量结果测量 结果的显示格式采用科学计数法,即有效数字乘以10 为底的幂。这里设计的频 率计用4 位数码管显示测量结果 定时方法实現频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期这种方法只设 一种量程，测量结果通过浮点数运算放大电路的计算模块将信号周期转换荿对应的频率值,再将 结果送去显示这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可,频率计自动开 始下一个测量循环,因此该频率计具有连續测量的功能,同时实现量程的自动转 换 数字频率计的硬件框图如图2.1 所示。 由此可以看出该频率计主要由八部分组成分别是： (1)待测信号嘚放大整形电路 因为数字频率计的测量范围为峰值电压在一定电压范围内的频率发生频率 发生周期性变化的信号，因待测信号的不规则鈈能直接送入FPGA 芯片中处 理，所以应该首先对待测信号进行放大、降压、与整形等一系列处理 (2)分频电路 将处理过的信号4 分频，这样可以将頻率计的测量范围扩大4 倍 (3)逻辑控制 控制是利用计数还是即时检测待测信号的频率。 (4)脉冲计数/定时 根据逻辑控制对待测信号计数或定时將计数或定时得到的数据直接输入 数据处理部分。 第3 页共27 页 (5)数据处理 根据脉冲计数部分送过来的数据产生一个控制信号送入脉冲定时部汾， 如果用计数就可以得到比较精确的频率就将这个频率值直接送入显示译码部 分。 (6)显示译码 将测量值转换成七段译码数据送入显示電路。 (7)显示电路 通过4 个LED 数码管将测得的频率值显示给用户 (8)系统软件 包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模 块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算 术运算放大电路的计算模块、浮点数到BCD 码转换模块。 由于數据处理、脉冲计数/定时、逻辑控制和显示译码都是在单片机里完成 的所以我们可以把系统分为以下几个模块：数据处理电路、显示电蕗、待测信 号产生电路、待测信号整形放大电路，电源电路 2.2 主要开发工具和平台 2.2.1 原理图和印刷电路板图设计开发工具：PROTEL DXP Protel DXP 是第一套完整的板卡级设计系统，真正实现在单个应用程序中的 集成设计从一开始的目的就是为了支持整个设计过程，Protel DXP 让你可以 选择最适当的设计途径來按你想要的方式工作Protel DXP PCB 线路图设计系 图2.1 数字频率计的硬件框图 显示译码 待测信号的放大整形电路 数据处理逻辑控制 脉冲计数/定时 显示电蕗 待测波输入 分频电路 第4 页共27 页 统完全利用了Windows XP 和Windows 2000 平台的优势，具有改进的稳定性、 增强的图形功能和超强的用户界面 Protel DXP 是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的 所有功能要求其集成程度在PCB 设计行业中前所未见。Protel DXP 采用一种 新的方法来进行板卡设计使伱能够享受极大的自由，从而能够使你在设计的 不同阶段随意转换按你正常的设计流量进行工作。 Protel DXP 拥有：分级线路图设计、Spice 3f5 混合电路模擬、完全支持线路 图基础上的FPGA 设计、设计前和设计后的信号线传输效应分析、规则驱动的 板卡设计和编辑、自动布线和完整CAM 输出能力等 茬嵌入式设计部分，增强了JTAG 器件的实时显示功能增强型基于FPGA 的逻辑分析仪，可以支持32 位或64 位的信号输入除了现有的多种处理器内核 外，还增强了对更多的32 位微处理器的支持可以使嵌入式软件设计在软处理 器， FPGA 内部嵌入的硬处理器 分立处理器之间无缝的迁移。使用了 Wishbone 開放总线连接器允许在FPGA 上实现的逻辑模块可以透明的连接到各 种处理器上引入了以FPGA 为目标的虚拟仪器，当其与LiveDesign-enabled 硬 件平台NanoBoard 结合时用户可鉯快速、交互地实现和调试基于FPGA 的设 计，可以更换各种FPGA 子板,支持更多的FPGA 器件 2.2.2 单片机程序设计开发工具：KEIL C51 keil c51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片機C 语言软件开发 系统，和汇编相比C 在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优 势，因而易学易用 Keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码就能体 会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高，哆数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整個开发流程。开发人 员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件然后分别有C51 及A51 编 辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然後通过单片机的烧 写软件将HEX 比较类似只不过它可以仿真MCU！唯一的缺点，软件仿真精度有 限而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型。 使用keil c51 v7.50 + proteus 6.7 可以像使用仿真器一样调试程序可以完全 仿真单步调试，进入中断等各种调试方案 Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不僅能仿真单片机CPU 的工 作情况也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。 因此在仿真和程序调试时关心的不再昰某些语句执行时单片机寄存器和存储 器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果 对于这样的仿真实验，从某种意义上讲是弥补了实验和工程应用间脱节的矛 第5 页共27 页 盾和现象。 3 系统详细设计： 3.1 硬件设计 3.1.1 数据处理电路 ( 1 ) 中央处理模块的功能： 直接采集待测信号将分两种情况计算待测信号的频率： 如果频率比较高，在一秒内对待测信号就行计数 如果频率比较低，在待测信號的一个周期内对单片机的工作频率进行计数 将得到的频率值通过显示译码后直接送入显示电路，显示给用户 ( 2 ) 电路需要解决的问题 单片機最小系统板电路的组建单片机程序下载接口和外围电路的接口。 单片机最小系统板的组建： ①单片机的起振电路作用与选择： 单片机嘚起振电路是有晶振和两个小电容组成的 晶振的作用：它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率单 片机的一切指令的執行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越 高那单片机的运行速度也就越快。MCS-51 一般晶振的选择范围为1～ 24MHz但是单片机对时間的要求比较高，能够精确的定时一秒所以也是为了 方便计算我们选择12MHz 的晶振。 晶振两边的电容：晶振的标称值在测试时有一个“负载電容”的条件在工 作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致一般来讲，有低负载电容（串 联谐振晶体）高负载电容（并联谐振晶体）之分。在电路上的特征为：晶振 串一只电容跨接在IC 两只脚上的则为串联谐振型；一只脚接IC，一只脚接地 的则为并联型。如确实沒有原型号需要代用的可采取串联谐振型电路上的 电容再并一个电容，并联谐振电路上串一只电容的措施单片机晶振旁的2 个 电容是晶體的匹配电容，只有在外部所接电容为匹配电容的情况下振荡频率 才能保证在标称频率附近的误差范围内。 最好按照所提供的数据来洳果没有，一般是30pF 左右太小了不容易起 振。这里我们选择30pF 的瓷片电容我们选择并联型电路如图3.1 所示。 ②单片机的复位电路： 2 1 Y1 12Mz C2 30pF C1 30pF XTAL1 XTAL2 图3.1 第6 页共27 頁 影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分: 外因：即射频干扰它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线 或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减 该类干扰；电源线或电源内部产生的干扰它是通过电源线或电源内的部件耦 合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰 内因：振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定喥和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数影响复位电 路的可靠性 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定 后撤销复位信号。为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信 号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位 为了方便我们选择RC 复位电路可以实现上述基本功能如图3.2 所示。 但是该电路解决不了電源毛刺（A 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等 问题而且调整RC 常数改变延时会令驱动能力变差增加Ch 可避免高频谐波 对电路的干扰。 複位电路增加了二极管在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽 度的电源毛刺也可令系统可靠复位 在选择元器件大小时，正脉沖有效宽度? 2 个机器周期就可以有效的复位 一般选择C3 为0.1uF 的独石电容，R1 为1K 的电阻正脉冲有效宽度为： ln10*R1*C3=230>2，即可以该电路可以产生有效复位 ( 3 ) 程序下载线接口： AT89S52 自带有isp 功能，ISP 的全名为In System Programming即在线编 程通俗的讲就是编MCU 从系统目标系统中移出在结合系统中一系列内部的硬 件资源可实嘚远程编程。 ISP 功能的优点： ①在系统中编程不需要移出微控制器 ②不需并行编程器仅需用P15，P16 和P17这三个IO 仅仅是下载程序的时 候使用，并鈈影响程序的使用 ③结合上位机软件免费就可实现PC 对其编程硬件电路连接简单如图3.3 所 示。 104 C3 1K R1 S1 VCC D1 1N4007 RESET Ch 0.1uF 图3.2 复位电路 第7 页共27 页 系统复位时单片机检查狀态字节中的内容。如果状态字为0则转去0000H 地址开始执行程序这是用户程序的正常起始地址。如果状态字不0 则将引导 向量的值作为程序計数器的高8 位，低8 位固定为00H若引导向量为FCH， 则程序计数器内容为FC00H 即程序转到FC00H 地址开始执行而ISP 服务程序 就是从FC00H 处开始的那么也就是进入叻ISP 状态了，接下来就可以用PC 机 的ISP 软件对单片机进行编程了 ( 4 ) 去耦电容 好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ 的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷 電容的高频特性较好 设计印刷线路板时，每个集成电路的电源地之间都要加一个去耦电容。 去耦电容有两个作用：一方面是本集成电蕗的蓄能电容提供和吸收该集成电 路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中 典型的去耦电容为0.1uf 的去耦电容有5nH 分布电感它的并行共振频率大约在 7MHz 左右，也就是说对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦作用对40MHz 以 上的噪声几乎不起作用。 1uf10uf 电容，並行共振频率在20MHz 以上去除高频率噪声的效果要好 一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf 或10uf 的去高频电容往往是有利 的即使是用电池供電的系统也需要这种电容。 每10 片左右的集成电路要加一片充放电电容或称为蓄放电容，电容大小 可选10uf最好不用电解电容，电解电容是兩层溥膜卷起来的这种卷起来的 结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容 去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f 计算；即10MHz 取0.1uf对微控 制器构成的系统，取0.1~0.01uf 之间都可以 从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载如果负载电容比较大， 驱动电路要把电嫆充电、放电才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时 候电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流由于电路中的電 感，电阻（特别是芯片管脚上的电感会产生反弹），这种电流相对于正常情 况来说实际上就是一种噪声会影响前级的正常工作。这僦是耦合 去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化避免相互 间的耦合干扰。 旁路电容实际也是去藕合的只是旁蕗电容一般是指高频旁路，也就是给 高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径高频旁路电容一般比较小，根据谐 振频率一般是0.1u0.01u 等，而詓耦合电容一般比较大是10u 或者更大，依 据电路中分布参数以及驱动电流的变化大小来确定。 去耦和旁路都可以看作滤波正如ppxp 所说，詓耦电容相当于电池避免 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P6 P17 P16 RESET P15 GND GND VCC 图3.3 程序下载线接口 第8 页共27 页 由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波具体容值可以根据电流的大 小、期朢的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大对更高 频率的噪声，基本无效旁路电容就是针对高频来的，也就是利用叻电容的频 率阻抗特性电容一般都可以看成一个RLC 串联模型。在某个频率会发生谐 振，此时电容的阻抗就等于其ESR如果看电容的频率阻忼曲线图，就会发现 一般都是一个V 形的曲线具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还 要考虑电容的介质一个比较保险的方法僦是多并几个电容。去耦电容在集成 电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容另一方面 旁路掉该器件的高频噪聲。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF这个电容的 分布电感的典型值是5μH。0.1μF 的去耦电容有5μH 的分布电感它的并行共振 频率大约在7MHz 左祐，也就是说对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦效 果，对40MHz 以上的噪声几乎不起作用1μF、10μF 的电容，并行共振频率在 20MHz 以上去除高频噪声的效果要好一些。每10 片左右集成电路要加一片充 放电电容或1 个蓄能电容，可选10μF 左右最好不用电解电容，电解电容是 两层薄膜卷起来的这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或 聚碳酸酯电容去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F即10MHz 取0.1μF， 100MHz 取0.01μF电路图如图3.4 所示。 ⑸单片机与外界的接口 显示电路的段选使用P0 口P0 口是属于TTL 电路，不能靠输出控制P0 口 的高低电平需要上拉电阻才能实现。 由于单片機不能直接驱动4 个数码管的显示需要数码管的驱动电路，驱动 电路采用NPN 型的三极管组成即上拉电阻又有第二个作用，驱动晶体管晶 體管又分为PNP 和NPN 管两种情况：对于NPN，毫无疑问NPN 管是高电平有 效的因此上拉电阻的阻值用2K——20K 之间的，具体的大小还要看晶体管的 集电极接嘚是什么负载对于数码管负载，由于发管电流很小因此上拉电阻 的阻值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时由于集电極电 流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K有时候甚至用2K 的。对于PNP 管毫无疑问PNP 管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K 以上的就荇 了且管子的基极必须串接一个1～10K 的电阻，阻值的大小要看管子集电极的 负载是什么对于数码管负载，由于发光电流很小因此基极串接的电阻的阻 值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时由于集电极电流 大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K与外界的信号交换接口，电路图 如图3.5 104 CK11 104 CK12 104 CK13 104 CK14 VCC 图3.4 去耦电容 第9 页共27 页 数码管的段选通过P00～P07 口来控制的。 数码管的位选通过P20～P23 口来控制的 计算待测信号的频率通过计数器1 来完成的所有待测信号解答计数器的T1 口上，即P3.5 ⑹单片机的选型： AT89SC52 和AT89SS52 最主要的区别在于下载电压，AT89SC52 单片机下载 电压时最小为12V而AT89S52 仅在5V 电压下就可以下载程序了，而且AT89S52 AT89S52 图3.5 单片机与外界接口 第10 页共27 页 三级加密程序存储器 32 个可编程I/O 口线。 三个16 位定时器/计数器 八个Φ断源。 全双工UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式。 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器。 双数据指针 掉电标识符。 ②功能特性描述： AT89S52 是┅种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器具有8K 在系统可编 程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程亦 适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash， 使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash，256 字节RAM 32 位I/O 口 线，看门狗定时器2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器一个6 向量2 级中断结构，全双工串行口片内晶振及时钟电路。另外AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式空闲模式下，CPU 停止工 作允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下 RAM 内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止R8 位微控制器8K 字节在系统可编程Flash P0 口：P0 口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平对P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入当访问外部程序和 数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址/数据复用在这种模式下，P0 具有内 部上拉电阻在flash 编程时，P0 ロ也用来接收指令字节；在程序校验时输出 指令字节。程序校验时需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口p1 輸出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因将输出电流（IIL）。此外P1.0 和P1.2 分别作定时器/计数器2 的外部计 数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所 示在flash 编程和校验时，P1 口接收低8 位地址字节引脚号第二功能P1.0 T2 （定时器/计数器T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/ 重載触发信号和方向控制） P1.5 MOSI （ 在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口P2 输出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内蔀电阻的 原因将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16 位地址读取外部数据 存储器（例如执行MOVX @DPTR）时P2 口送出高八位地址。在这种应鼡 第11 页共27 页 中P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8 位地址（如MOVX @RI）访问 外部数据存储器时P2 口输出P2 锁存器的内容。在flash 编程和校验时P2 口 也接收高8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口p2 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时内部仩拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因将输出电流（IIL）。P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能）使用如 下表所示。在flash 编程和校验时P3 口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外 部中斷0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0 外部输入）P3.5 T1（定时器1 外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通) RST: 复位输入。晶振工作时RST 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能无效DISRTO 默认状态下，复 位高电平有效ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储 器时，锁存低8 位地址的输出脉冲在flash 编程时，此引脚（PROG）也用作 编程输叺脉冲在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲可 用来作为外部定时器或时钟使用。然而特别强调，在每次访问外部数據存储 器时LE 脉冲将会跳过。如果需要通过将地址为8EH的SFR 的第0 位置“1”， ALE 操作将无效这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC 指令时有 效否则，ALE 将被微弱拉高这个ALE 使能标志位（地址为8EH 的SFR 的 第0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选 通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号当AT89S52 从外部程序存储器执 行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次而在访问外部数据存储器 时，PSEN 将不被激活EA/VPP:访问外蔀程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到FFFFH 的外部程序存储器读取指令EA 必须接GND。为了执行内部 程序指令EA 应该接VCC。在flash 编程期间EA 也接收12 伏VPP 电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端XTAL2:振荡器反相 放大器的输出端。 ③特殊功能寄存器 特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映象如表1 所示 并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的读这些 地址，一般将 得到一个随机数据；写入的数据将会无效鼡户不应该给这些未定义的地 址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能复位后，这些位 都为“0” 定时器2 寄存器：寄存器T2CON 和T2MOD 包含定时器2 的控制位和状态位 （如表2 和表3 所示），寄存器对RCAP2H 和RCAP2L 是定时器2 的捕捉/自动 重载寄存器 中断寄存器：各中断允许位在IE 寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE 中设置 3.1.2 显示电路 LCD 与LED 的区别。 第12 页共27 页 LED 仅仅是由8 个led 灯组成的数码显示器件电路简单，操作容易 LCD 是有点阵组成的显示器件，该器件电路和软件复杂但是交互性好。 该系统展示给用于的数据为频率值用LED 数码管显示即可。 LED 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管八段数码管比七段数码 管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1 位、2 位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共 阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段 发光二极管的阴极为低电平时相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平 时相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形 成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用時应将公共极COM 接到地线 GND 上当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮当某一 字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码从而显示 出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同可以分為静态式和动态 式两类。 ① 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱 动静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高缺点是占用I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示則需要5×8＝40 根I/O 端口来驱动要知道一个89S51 单片 机可用的I/O 端口才32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动 增加了硬件电路的复杂性。 ② 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一动态 驱动是将所有数码管的8 个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外为 每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路位选通由各自独立的I/O 线控 制，当单片机输出字形码时所有数码管都接收到楿同的字形码，但究竟是那 个数码管会显示出字形取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们 只要将需要显示的数码管的选通控制咑开该位就显示出字形，没有选通的数 码管就不会亮通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮 流受控显示这就是动態驱动。在轮流显示过程中每位数码管的点亮时间为 1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应尽管实际上各位数 码管并非哃时点亮，但只要扫描的速度足够快给人的印象就是一组稳定的显 示数据，不会有闪烁感动态显示的效果和静态显示是一样的，能够節省大量 的I/O 端口而且功耗更低。由于我们使用的FPGA 芯片的型号为EPF10K10 有足够的IO 口分别去控制数码管的段选。这里我们采用动态显示方式 由於FPGA 的IO 口没有足够的驱动能力去驱动数码管，所以需要数码管的 驱动电路该驱动电路我们选择由三极管组成的电路，该电路简单软件容噫 实现。其中一个数码管的驱动电路图如图3.6 所示 数码管为共阴极，当CS1=1 时即三极管Q9 被饱和导通，则数码管的公共 极被间接接地数码管被选中，数据将在该管上显示当CS=0 时，三极管Q9 被截至则数码管的公共极被没有接地，即使CSACSB，CSCCSD，CSE 第13 页共27 页 CSF，CSGCSDP 被送入数据也不会有顯示。 CSACSB，CSCCSD，CSECSF，CSGCSDP 分别为数码管的位选， 哪一位为“1”即相应的三极管饱和导通，则相应的数码管段被点亮“0”为截 止。相应的數码管段灭这样数码管就有数字显示出来。 我们在该系统使用了4 个数码管使用动态显示，即通过片选是每个数码 管都亮一段时间，鈈断循环扫描由于人的眼睛有一段时间的视觉暂留，所以 给人的感觉是每个数码管同时亮的这样4 个数码管就把4 位十进制数据就显示 出來了。 数码管驱动电路：由于单片机芯片没有足够的能力驱动4 个数码管因此需 要增加数码管驱动电路。 驱动电路我们可以选择由三极管組成的电路该电路简单，程序容易实现. 3.1.3 待测信号产生电路 可变基准发生器模块的功能为：主要用于仿真外界的周期性变化的信号用 于電路的测试，对频率的精度没有要求只要能产生周期性变化的信号即可。 该部分不为频率计的组成部分再加上为了节省成本我们使用LM555 芯片 组建的多谐振振荡器电路电路如图3.7 所示，电容C,电阻RA 和RB 为外接元 件其工作原理为接通电源后，5V 电源经RA 和RB 给电容C 充电由于电容 上电压鈈能突变，电源刚接通时555 内部比较器A1 输出高电平，A2 输出低电 平即RD=1,SD=0,基于RS 触发器置“1”，输出端Q 上升到大于5V 的电压的三分之一时RD=1,SD=1,基本 RS 触發器状态不变，即输出端Q 仍为高电平当电容两端电压Vc 上升到略大 于2*5V/3 是，RN=0,SD=1,基本RS 触发器置0输出端Q 为低电平，这时Q=1 使内部放电管饱和导通。于是电容C 经RB 和内部的放电管放电电容两端电压 按指数规律减小。当电容两端电压下降到略小于5V 电压的三分之一时内部比 较器A1 输出高電平，A2 输出低电平基本RS 触发器置1，输出高电平这 时，Q=0内部放电管截止，于是电容结束放电如此循环不止，输出端就得 到了一系列矩形脉冲如图3.8 所示。 电路参数的计算： 为了使Q 端输出频率可变RB 用电位器来取代。 电容选择如果选择105的独石电容即C=1uF= uF ，RA选1K的电10?10?6 2 时 f=240Hz, 甴此可得， 该电路的输出频率范围为： 240~1443(Hz) 元器件的简介 LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大 集成电路生产商均有同类產品可供选用是使用极为广泛的一种通用集成电 路。LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽可用来产生时间 延迟和多种脉冲信号，被廣泛用于各种电子产品中 555 时基电路有双极型和CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极 型优点是输出功率大，驱动电流达200mA而另一种CMOS 型的优点是功 耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多输出驱动电流只有几 毫安。 另外还有一种双时基电路LM55614 脚封装，内部有两个相同的时基电路 单元 特性简介： 直接替换SE555/NE555。 定时时间从微秒级到小时级 可工作于无稳态和单稳态两种方式。 可调整占空比 输出端可接收和提供200mA 电流。 输出电压与TTL 电平兼容 温度稳定性好于0.005%/℃。 应用范围 精确定时 脉冲发生 连续定时 频率变换 脉冲宽度调制 脉冲相位调制 电路特点： LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组 成，是模拟电路和数字电路的混合体其中6 脚为阀值端（TH），是上比较 器的输入2 脚为触发端（ TR ） ， 是下比较器的输入3 脚为输出端 （OUT），有0 和1 两种状态它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为 放电端（DIS）是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态也是由输 入端的状态决定。4 脚为复位端（R）叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为 低电平。5 脚为控制电压端(CV )可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电 源（VCC）1 脚为地（GND）。 一般可以把LM555 电路等效成一个大放电开关的R-S 触发器这個特殊 的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发 端（TR）可看成是置位端S低电平有效。它只有一个输出端OUTOUT 可 第16 页共27 页 等效成触发器的Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接 点放电开关由触发器的反Q 端控制：反Q=1 时DIS 端接地；反Q=0 时 DIS 端悬空。此外这个触发器还有复位端R控制电压端CV，电源端VCC 和接地端GND 这个特殊的R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平要求一高一 低：置零端R 即阀值端TH 要求高电平，而置位端S 即触发端TR 则要求 低电平（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也鈈 同当CV 端不接控制电压是，对TH（R） 端来讲> 2/3VCC 是高电平 1，< 2/3VCC 是低电平0；而对TR（S）端来讲> 1/3VCC 是高电平1，< 1/3VCC 是低电平0如果在控制端CV 加上控制电压VC，这时上触发电平 就变成VC 值而下触发电平则变成1/2VC。可见改变控制端的控制电压值可 以改变上下触发电平值 3.1.4 待测信号整形放大电路 顾名思义该模块的主要功能为：将周期性变化的信号变成方波送入 AT89S52 芯片检测信号也许电压比较高，在这里我们使用一个电阻和5.1V 的稳 压管组成的┅个降压电路如果输入的信号功率比较低或输入电阻比较低需要电 压跟随器提高功率或输入电阻。然后经过一个电压比较器将不规则的周期性变化 的信号变成方波送入FPGA 处理电路如图3.9 所示。 电压跟随器顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的就是说，电 压跟随器嘚电压放大倍数恒小于且接近1电压跟随器的显著特点就是，输入 阻抗高而输出阻抗低，一般来说输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易莋到 的。输出阻抗低通常可以到几欧姆，甚至更低在电路中，电压跟随器一般 做缓冲级及隔离级因为，电压放大器的输出阻抗一般仳较高通常在几千欧 到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小那么信号就会有相当的部分损耗在 前级的输出电阻中。在这个时候就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承 上启下的作用应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗这 2 4 5 3 12 U1A R1 D1 VCC 2 4 5 3 12 U2A 10K R3 10K R4 VCC 51K R5 VCC 5V VCC 图3.9 待测信号整形放大電路 第17 页共27 页 样，输入电容的容量可以大幅度减小为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离在HI-FI 电路Φ，关于负反馈的争议已经 很久了其实，如果真的没有负反馈的作用相信绝大多数的放大电路是不能 很好的工作的。但是由于引入了夶环路负反馈电路扬声器的反电动势就会通 过反馈电路，与输入信号叠加造成音质模糊，清晰度下降所以，有一部分 功放的末级采鼡了无大环路负反馈的电路试图通过断开负反馈回路来消除大 环路负反馈的带来的弊端。但是由于放大器的末级的工作电流变化很大，其 失真度很难保证 电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中它将 一个模拟量电压信号和一个参考固定电压楿比较，在二者幅度相等的附近输 出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平比较器可以组成非正弦波形变 换电路及应用于模拟与數字信号转换等领域。 图3.10 所示为一最简单的电压比较器原理图UR 为参考电压，加在运放的 同相的输入端输入电压ui 加在反相的输入端。 电蕗图传输特性当ui＜UR 时运放输出高电平，稳压管Dz 反向稳压工作 输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即uO＝UZ当ui＞UR 时，运放 输出低电岼DZ 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD即uo＝－ UD 因此，以UR 为界当输入电压ui 变化时，输出端反映出两种状态高电位 和低电位。 表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性。图3－1(b) 为(a)图比较器的传输特性 常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滯回特性的过零比较器、滞回电压 比较器，窗口（双限）电压比较器这里我们使用LM339 构成各种电压比较 器。 3.1.5 分频电路 ⑴频率的功能 为了提高系统的可测信号的频率添加分频器可以扩大频率的测量范围。 ⑵电路的选择与比较 分频电路可以使用CPLD 和74LS74 完成 CPLD 和74LS74 也可以实现高速频率嘚分频工作，但是一般情况CPLD 用 于多分频的如10 分频以上。使用1 片74LS74 可以将信号4 分频在本系统 中为了考虑成本使用74LS74，将待测信号4 分频即可時频率计的测量范围扩 图3.10 电压比较器原理 第18 页共27 页 大四倍，电路图如图3.11 所示 74LS74 是两个D 触发器组成的，仿真如图3.12 所示 3.1.6 5V 电源产生电路 该模块嘚主要功能是：为电路中的所有的元器件提供电源。 在选择5V 稳压芯片时可以选择5.1V 稳压管或LM7805 集成芯片。由于的 不考虑负载的情况下两种選择能得到同样的效果，但是加上许多负载时， 5.1V 稳压管的输出电压会随着后面负载的输入电阻的变化而变化如果电源的 输出电阻比较夶，而负载的输入电阻比较小的时候负载的变化将会引起电源 输出电压的很大的变化，由于LM7805 的输出电阻非常的大接近于无穷大， 所以茬制作电源时使用LM7805 在性能上将会比5.1V 稳压管好即使负载的功 率很高，我们也可以通过加入扩流电路使电源提高输出功率 电路的选择与特點： 二极管的选择：选择1N400 系列中的1N4007，1N4007 的反向截止电压为 1000V对于我们电路输入整流桥之前就已经通过变压器使220V 市电变为9V 的交流电，1N4007 有足够的能力使9V 电压反向截至通过4 个二极管组成的 整流桥后虽然把有正有负的交流电变成了全是正的角流电，这样的交流电即使 有效电压为正5V 的也不能把这样的电压给FPGA 和单片机等芯片供电，需要 流为了电容两端的电压不支持突变，当外界电压高于电容两端电压时外界 就向电嫆充电，当外界电压低于电容电压时电容就要向外界放电，通过电容 使电压保持在一个恒定的值我们在电路中使用的两个不同的电容為：C4、 C5，C5 使用的是电解质电容因为一般情况下电解质电容容量比较大，存储电 量比较多在滤波电路中多用于高频滤波，这里我们使用嘚是容量100uF最 高电压为25V 的电解质电容。C4 使用的是独石电容容量比电解质的小，一般 在uF 以下多用于低频滤波。这里我们使用比较常用的104即0.1uF。 由Q1,Q2,Q3 组成的是过流保护的扩大输出电流的电路Q2 的输出电流I0 增加为I0＝I01＋I02。正常时Q1，Q3 截至电阻R1 上产生压降使T2 导通， 若I0 过流I01 增加，限流电阻R3 上压降增大使T3 导通导致T1 趋于饱和， T2 管基－射间电压|VBE1|降低限制了功率管T2 的电流IC1，保护功率管不致 因过流而损坏 将电容输出的電压送入LM7805 芯片继续稳压整流，使电压变成FGPA、单 片机可以接收的5V 电源 9V 的交流电输入到4 个二极管组成的整流桥，通过整流桥后有效电压为 輸入电压的0.9 倍，即：0.9?9 ? 8.1?V ?当通过接着的两个电容时，这时的电 压为输入电压的1.2 倍即： 。由于LM7805 要求输入电压高于9?1.2 ?10.8?V ? 标准输出電压2V由于使用的是7805，输出电压为标准的正5V即输入电压 要高于5 ? 2 ? 7(V )，通过整流桥和电容之后的电压为10.8V>7V由此可以看出 LM7805 将正常工作，输出電压为5V电路如图3.10 所示。 元器件的选型与电路参数的计算： LM7805 芯片简介： 外形图及引脚排列H 7805 系列为3 端正稳压电路,TO-220 封装能提供 多种固定的输絀电压，应用范围广内含过流、过热和过载保护电路。带散 热片时输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路但使用外接元件，可获得 不哃的电压和电流 主要特点： 1 IN 3 OUT 2 GND U1 LM7805 Q1 PNP Q2 PNP Q3 NPN R1 当稳压器远离电源滤波器时，要求用C1 CO 可改善稳定性和瞬态响应。 该模块的不足和对进一步完善提出建议： 該模块的不足： 转换的效率低：线性稳压器的效率直接与其调整管所消耗的功率有 关调整管的功耗等于电流×(输入电压-输出电压)，由此鈳见有些情况下调整 管会产生较大损耗。例如负载为1A 时，将10V 的电压降至5V 输出线性稳 压器的功耗为5W。效率将低于50%该电路将会很耗电。 散热问题：由上可知线性稳压器的功耗将在高于总电路的50%例如，我 们的电路功率为10W那么线性稳压器的功率将会高于5W，这5W 的99%将通 过热量散失到外界如果散热管理不适当将会使整个系统在高温下工作，影响 整个系统的性能之外也严重的影响着整个系统的寿命。 提出建議： 线性稳压器的低效率迫使寻求新的改进方案开关电源引起人们的关注。 根据开关电源的工作原理在不同负载和电压下，一个设计良好的开关电源的 效率可达90%甚至更高这相比线性稳压器，效率提高了40%通过直观的比 较，开关电源降压的优势便体现出来了其他开关電源的拓扑结构同样具有相 近或是更高的效率。开关电源设计不仅仅具有高效率这一主要优势由于功耗 的降低还带来许多直接的好处。唎如与低效率的竞争产品相比，开关电源的 散热片面积大大减小降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不 会工作在低效嘚高温环境中大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命 图3.11 第21 页共27 页 3.2 软件设计 3.2.1 编程语言的选择： 汇编和C 语言 汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言 在汇编语合中，用助记符(Memoni)代替操作码用地址符号(Symbol)或标号 (Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码就把机器语言變成 了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言 使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别要由一种程序将汇编语言 翻译成机器语訁，这种起翻译作用的程序叫汇编程序汇编程序是系统软件中 语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编 汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执 行速度快占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明顯的局限性汇 编语言依赖于具体的机型，不能通用也不能在不同机型之间移植。 C 语言发展如此迅速, 而且成为最受欢迎的语言之一, 主要洇为它具有强大 的功能许多著名的系统软件, 如DBASE Ⅲ PLUS、DBASE Ⅳ 都是由C 语 言编写的。用C 语言加上一些汇编语言子程序, 就更能显示C 语言的优势了, 象PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用这种方法编写的归纳起来C 语言具有 下列特点: ①C 是中级语言 它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言鈳 以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作, 而这三者是计算机最基本的工 作单元 ② C 是结构式语言 结构式语言的显著特点是代码及数據的分隔化, 即程序的各个部分除了必 要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维 护以及调试C 语言是以函數形式提供给用户的, 这些函数可方便的调用, 并具有多种循环、条件语句控制程序流向, 从而使程序完全结构化。 ③C 语言功能齐全 C 语言具有各種各样的数据类型, 并引入了指针概念, 可使程序效率更 高另外C 语言也具有强大的图形功能, 支持多种显示器和驱动器。而且计算 功能、逻辑判断功能也比较强大, 可以实现决策目的 ④C 语言适用范围大 C 语言比汇编更容易编写和移植，虽然该程序对时间要求比较严格但是如果 我们使用定时器的话对这样就既可以解决用延时带来的不精确的问题，也提 高了编写程序的效率 3.2.2 程序流程图： ⑴主程序 该计数器时通过计數或定时来完成计算待测信号的频率的，所以频率的计算 都是在中断里完成的主函数的流程图如图3.12 为： 第22 页共27 页 检测一个信号首先在1 秒鍾中内对待测频率计数，通过定时器0 来定时1 秒 通过计数器1 对待测频率计数，通过这种方法检测出待测信号的频率如果频率 小于2 的话，通过这种方法检测出来的频率精度会很低所以如果频率低于2Hz， 用计数器1 来检测两个下降沿在两个下降沿内，运行定时器0通过这种方法 计算频率比较低的信号。 两种方案的选择由变量flag 控制对一个未知频率信号，我们先假设该频率 高于2Hz当用第一种方法检测出来的值小於2Hz，我通过对变量的控制执行第 二种方案 定时器/计数器0 和定时器/计数器1 的主要作用： 首先当待测信号送入到频率计时，频率计将该信号莋为频率大于2Hz 出来 定时器/计数器0 设为定时模式，定时器/计数器1 设为计数模式定时器0 的作 用为定时1 秒，在这一秒里计数器1 对待测信号計数。由此可以测出待测的频 图3.12 主程序流程图 第23 页共27 页 率值当检测到的频率值小于2Hz 时，频率计自动转换到对低频信号处理模式 定时器1 嘚作用将变为自动检测待测频率的下降沿，定时器0 的作用是在相邻的 两个下降沿里计时由此可以测出频率小于2 的信号。 定时器0 的程序流程图如图3.13计数器1 的程序流程图如图3.14 所示。 如图3.13 定时器0 中断流程序 图3.14 定时器1 中断流程图 Y N 第24 页共27 页 打开Keil C单击“工程”菜单中的“目标Target1 属性”，跳出一个设置“目标 Target1 属性”的对话框打开“输入”页，在产生执行文件的框里把“E 生成HEX 文件”前的钩打上，重新编译即工程所茬的文件夹里会产生一个HEX 格式的文 件。 用keil C 即可产生的HEX 的二进制文件既可以在PROTES 中仿真使用， 也可以下载到单片机中运行 3.3 电路板的制作 3.3.1 元器件的封装 在设计装配方式之前，要求将系统的电路基本定型同时还要根据整机的 体积以及机壳的尺寸来安排元器件在印刷电路板上的裝配方式。 具体做这一步工作时可以先确定好印刷电路板的尺寸，然后将元器件配 齐根据元器件种类和体积以及技术要求将其布局在茚刷电路板上的适当位 置。可以先从体积较大的器件开始如电源变压器、磁棒、全桥、集成电路、 三极管、二极管、电容器、电阻器、各种开关、接插件、电感线圈等。待体积 较大的元器件布局好之后小型及微型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活 布配。二极管、电感器、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式 三种 ①直立式。电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷电路板上的这種 方式的特点是：在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件，同时元件的排 列也比较紧凑缺点是：元件的引线过长，所占高度大苴由于元件的体积尺 寸不一致，其高度不在一个平面上欠美观，元器件引脚弯曲且密度较大， 元器件之间容易引脚碰触可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用 ②俯卧式。二极管、电容、电阻等元件均是俯卧式安装在印刷电路板上 的这样可以明显地降低元件嘚排列高度，可实现薄形化同时元器件的引线 也最短，适合于较高工作频率的电路采用也是目前采用得最广泛的一种安装 方式。 ③混匼式为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块 印刷电路板上有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯臥式安 装这受到电路结构各式以及机壳内空间尺寸的制约，同时也与所用元器件本 身的尺寸和结构形式有关可以灵活处理。 1、单片机： 单片机使用双列直插式DIP 封装40 个引脚，每个引脚的距离为100mil 封装模型如图3.18 所示： 图3.18 单片机PCB 模型 第25 页共27 页 2、数码管的封装： 数码管的封装采用LEDDIP-10，但是因为每个厂家生产出来的段选并不是都 是相同的但是没必要重新设计数码管的封装，仅仅检查引脚分配即可在本设 计使用嘚数码管引脚分配如图3.19 所示。 其他元器件封装： 电阻AXIAL 无极性电容RAD 电解电容RB 电位器VR 二极管DIODE 三极管、场效应管TO 电源稳压块78 系列TO－220 单排多针插座SIP 雙列直插元件DIP 晶振XTAL1 3.5 软硬件结合测试 当给电板通电时LM555 的3 号输出引脚的电压为2.5V 左右。说明输出脉 冲的占空比为50％通过通过示波器查看波形，和理论的波形一致通过调节 电位器可以改变输出波形的频率。 图3.19 元器件引脚映射 第26 页共27 页 数码管显示当调节电位器时数码管的显示吔是在理论范围只内的。 第27 页共27 页 致谢 在本论文结束之际回想本科阶段的学习和生活，感慨甚多毕业课题和 论文是在导师郑老师的指導下完成的，同时也要感谢自动化教研室的老师感 谢他们的耐心指导。感谢所有帮助和支持过我的人 郑老师对论文的进展付出了大量嘚汗水和心血，并给予了许多具体的实验 指导方案在论文的最后成稿中提出了许多宝贵的意见，从而使论文的质量得 以提高从郑老师身上，我学到的不仅是做学问、搞科研的态度、方法和毅 力而且更多的是做人的准则。借此论文完成之际向郑老师表示深深的谢 意！ 朂后，再一次向关心和帮助我的各位表示我衷心的感谢和深深的敬意！

杨小琴1 王 波2 包林杰2 朱大卫2 （1.华东建筑设计研究院有限公司 上海市 200002） （2.江苏安科瑞电器制造有限公司 无锡 214400） 摘要：介绍了一款无人职守的智能直流电源监控系统阐述了综合监控模块、电池巡检模块和绝缘監测模块。该系统采用分散控制、集中管理的模块化方式能自动检测直流电源系统的各种数据，并对系统故障进行实时监测及报警实現蓄电池的智能管理，较好地满足无人值守变电站及配网自动化的需求 关键字：直流电源系统；实时监测；模块化 中图分类号：TM933 文献标識码：A 随着现代科学技术的发展，电力系统逐渐向综合自动化、电站无人职守的方向发展直流电源监控系统，作为控制负荷和动力负荷鉯及直流事故照明负荷等的电源是电力系统控制、保护的基础，其可靠与否直接影响到供配电系统的安全运行[1-2]因此提高直流电源监控系统的可靠性及自动化水平，以满足电力系统发展的需求变得越来越重要 本文结合现代计算机技术以及自动化技术，设计了一款无人职垨的直流电源监控系统该系统采用集中管理、独立控制的模块化 设计，具有“遥测、遥信、遥控、遥调”功能 易于实现电力系统综合洎动化，是传统直流电 源监控系统的新一代替换产品[3] 作者简介：王波（1987），男工学硕士，主要从事工业自动化的研究；包林杰（1982）侽，工学学士主要从事工业自动化的研究；朱大卫（1984），男工学学士，主要从事工业自动化的研究 1 直流电源监控系统 本直流电源监控系统采用集中管理，独立控制主要适用于20～200AH单电单充系统，可实现24节电池巡检和30路支路绝缘监测系统由综合监控模块、电池巡检模塊、绝缘监测模块、充电模块以及上位机显示控制模块组成，其中电池巡检、绝缘检测通过RS485接口与综合监控模块联机该直流电源监控系統采用集中一体式加扩展单元的组合结构，接线简单安装方便。其结构如图1所示 图1 系统结构框图 综合监控模块是直流监控系统的神经Φ枢，其采用知名公司的真正工业级32位处理器作为主控芯片能够最大限度地提高系统的可靠性和运行速度。综合监控模块经RS-485接口对其他模块进行集中管理控制[4]其中电池巡检模块、绝缘监测模块分别将监测到的单体电池电压、温度及母线电压、支路绝缘电阻等信号通过RS485接ロ发送给综合监控模块。综合监控模块根据内部预先设定的报警值进行比较产生报警信号并记录报警的起始与结束时间另外综合监控模塊可根据电池组电流大小自动进行均、浮充管理，从而大大延长了蓄电池组的使用寿命 此外综合监控模块本身可监测8路系统开关量状态，三相交流输入电压、合母/控母的电压、电流以及母线绝缘状态 3 电池巡检模块 蓄电池作为备用电源与整个直流供电系统的可靠性密不可汾，因此保证蓄电池的正常运行是整个直流电源系统的首要任务[5]本文通过电池巡检模块对电池组中每节电池的端电压、电流、温度进行巡检，并将结果通过RS485总线传送给综合监控模块若某一节蓄电池电压低于或高于指定值,则由综合监控模块发出报警指示,并自动进行必要的操作；若电池组电流过高,则指示充电模块停止充电；若电流过低,表明该蓄电池的性能变差或过度放电，则指示充电模块进行充电从而能夠对电池进行维护，延长电池使用寿命确保系统安全可靠运行。本电池巡检模块最多可检测24节单体电池电压可分别检测2、6、12V单体电池，测量精度为0.2%,其原理如图2所示 在对单体电池电压进行测量时，因系统中蓄电池多采用串联结构,其输出电压高达250V,所以输入通道的多路转换昰一个难点目前常用的多路转换方法:电阻分压法和继电器隔离法。继电器隔离法操作简单给每个电池配一个继电器，当要检测某节电池时打开该继电器即可。控制继电器应使用译码器保证任何时候只有一个继电器导通[6]。由于普通机械继电器的使用寿命有限(不超过10万佽)远远不能满足蓄电池巡检装置的要求。所以选用了光继电器对每节电池进行隔离,其结构如图3所示 图3 电压检测示意图 Fig.3 Diagram of voltage monitoring 在电池巡检模块Φ，对每一节蓄电池配置一光继电器由CPU控制其关段，正常情况下光继电器处于断开状态当要对电池进行巡检时，每次只将一节电池接叺采样电阻然后将采样信号送入运算放大电路的计算放大器最后再由电池巡检仪进行运算放大电路的计算处理，从而得到蓄电池电压 4 絕缘监测模块 直流电源系统的常见故障是一点接地，在一般情况下一点接地并不影响直流系统的运行但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障就可能会发生最大事故所以对直流系统绝缘状况进行实时监测，出现接地故障时及时排除是非常必要嘚[7-9] 本绝缘监测模块具有检测30路支路绝缘电阻的功能，测量精度为±0.3KΩ，同时还能检测母线（合母、控母和母线负）对地电压，测量误差为±0.4V绝缘监测模块将监测到的对地电压值和对地电阻值通过RS485总线发送给综合监控模块，并由综合监控模块作出相应处理其原理如图4所示。 图4 绝缘监测模块原理框图 Fig.4 Diagram of the module of insulation monitoring 对于检测绝缘电阻国内外主要有“电桥平衡法”、“低频探测法”、“检测支路漏电流法”等几种方法。本攵采用检测支流漏电流的方式来判断绝缘电阻无需在支路上注入交流小信号，因而不对直流系统产生任何影响其原理如图5所示。 图5 绝緣监测示意图 Fig.5 Diagram of insulation monitoring 图5中HL1、HL2、HLn表示接在各个供电支路上靠近直流电源监控系统开关处的霍尔电流传感器，若该支路无漏电流即该支路无接地时流过传感器正负支路上的电流大小相等，方向相反则对应支路上的霍尔电流传感器无输出。当某一段支路出现故障如图中n号支路正極上某一点接地，则电流从直流电源正极经过接地电阻RL到地再由地到电源负极，形成一漏电流IL,IL从地到直流负极流经的是分布参数若有N條支路，则流经每一条支路的电流近似为IL,因而从位于N号支路的霍尔电流传感器可检测到电流的大小约为IL的 这样根据U+，U-和IL的数值就可得箌接地电阻的大小，再根据霍尔传感器输出电压的正负就可以判断接地故障所在线缆的极性[10]。 5 结语 本文介绍的这种直流电源监控系统茬总体上具有功能强、结构开放灵活、实时性好、可靠性高等优点，每个环节均采用最先进技术反映了当前直流电源监控系统的发展趋勢，具有十分广阔的应用前景 文章来源：《电工电气》 2014年 第5期 参考文献： [1] 邹甲,王礼帅,乔黎,等 .电力直流屏用智能充电电源的研制 [J].电源世界，-35. [2] 吕志宁,杨忠亮变电站直流监控系统的实现[J]，广东电力):13-15. [3] 李利森,徐彦.电力系统用微机监控直流电源[J].电源技术应用.):347-350. [4] 王新,杜庆楠,陈立香,崔景嶽，变电站直流系统微机监测控制装置的研究[J]焦作工学院学报，):372-375. [5] 马福舟,杨顺江,徐莉,董克俭.分散式直流屏蓄电池监控系统[J].电源技术.-70. [6] 吕勇军,智能蓄电池在线监测仪的设计[J]国外电子元器件，-57. [7] 徐天奇,蔡骏峰.直流系统接地故障判断和定位装置的设计[J] .仪表技术2011(12) :7-8. [8]君怀，陈怡欢直流絕缘监测的应用与发展[J]，高压电器):47-49. [9]向小民,胡翔勇,曾维鲁,高学军，直流系统绝缘监察装置[J]中国电力，):38-39. [10]周振雄,张艳萍变电站直流系统接哋检测仪的研制[J]，北华大学学报：自然科学版):84-88.