基于單片機(jī)的相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計

榮雪琴

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇 蘇州 215104)

利用一些常用的儀器進(jìn)行波形檢測，往往只能測量波形的幅度、頻率以及觀察兩個波形的相對位置，所測的相位差誤差大，并且需要經(jīng)過計算。本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計了一款相位差測量系統(tǒng)，其具有硬件電路簡單、測量精度高、顯示直觀等優(yōu)點，有一定的使用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示，主要由信號檢測電路、單片機(jī)AT89C51和LED數(shù)碼管顯示等3部分電路組成。信號檢測電路，完成對兩個正弦波信號的周期T和時間差Δt的檢測；單片機(jī)完成對信號檢測的控制，把檢測到的信號轉(zhuǎn)換成相位差φ，并且轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管所能顯示的字型代碼后，從單片機(jī)的串行口送出；顯示電路，采用3片串并轉(zhuǎn)換芯片74LS164進(jìn)行輸出端口的擴(kuò)展，然后在74LS164的輸出端各接一個數(shù)碼管，用于顯示相位差。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 信號檢測電路

信號檢測電路由1片雙電壓比較器LM393和2片雙D觸發(fā)器74LS74等組成（如圖2所示），完成兩個被測信號的時間差和周期的檢測，在AT89C51單片機(jī)的控制下，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的測量。

（1）零點的檢測。由LM393等電路組成的零點檢測電路，分別用以檢測A、C兩點輸入的兩路交流信號的零點。以兩路正弦信號為例，在A、C兩點輸入兩個正弦信號，當(dāng)輸入信號大于零時，分別在B、D兩點輸出高電平；當(dāng)輸入信號電壓小于-5×（10K/330K）V時，分別在B、D兩點輸出低電平。因此在B、D兩點輸出兩個與輸入的正弦信號相對應(yīng)的方波信號，由于方波信號的上升沿，正好對應(yīng)輸入信號的由負(fù)變正的零點時刻，所以時間差信號和周期信號的檢測采用上升沿測量，可以提高測量的精度。

圖2 信號檢測電路

（2）周期信號的檢測。由圖2中下面兩個D觸發(fā)器在單片機(jī)P1.2和P1.3控制下，完成A點輸入的被測信號的周期T的檢測。P1.2接D1、D2兩個觸發(fā)器的清零端，同時也是 D2觸發(fā)器的輸入，P1.3與Q2相連接。P1.2是由軟件控制其為高電平或低電平，P1.3是軟件對其電平進(jìn)行查詢的。開始進(jìn)行檢測時，首先使P1.2為低電平，兩個D觸發(fā)器的清零端有效，此時輸出Q1和Q2都為低電平0；當(dāng)P1.2由0轉(zhuǎn)為1并且B點信號由0變?yōu)?時，輸出Q1由0變?yōu)?，輸出Q2仍為低電平0；當(dāng)B點信號第二次由0變?yōu)?時，輸出Q1又由1變?yōu)?，同時輸出Q2也由0變?yōu)?。當(dāng)單片機(jī)檢測到P1.3為高電平時，意味著一次檢測完成，同時使P1.2清零，為下一次檢測做準(zhǔn)備。輸出Q1正好對應(yīng)輸入信號A的周期T，將這個周期信號接到單片機(jī)的外部中斷1引腳上。

（3）時間差信號的檢測。由圖2中上面兩個D觸發(fā)器和一個與門在單片機(jī)P1.2的控制下完成A、B兩個正弦信號的時間差Δt的檢測。當(dāng)P1.2為低電平0時，兩個D觸發(fā)器的清零端有效，使得輸出 Q3和Q4都為低電平0；當(dāng)P1.2為高電平1并且B點信號由0變?yōu)?時，輸出Q3由0變?yōu)?，由于此時D點信號仍為低電平0，使得觸發(fā)器D4的脈沖信號無效，所以輸出Q4仍為低電平0；當(dāng)D點信號由0變?yōu)?時，輸出Q4由0變?yōu)?，從而與門的輸出由1變?yōu)?，觸發(fā)器D3的清零端有效，使輸出Q3由1變?yōu)?，這樣就完成了A、B兩個正弦信號的一次時間差的檢測，輸出Q3即為時間差信號Δt，將這個時間差信號接到單片機(jī)的外部中斷0引腳上。

2.2 顯示電路

顯示電路由3個單個數(shù)碼管和3片74LS164構(gòu)成（如圖3所示）。所需顯示的3位數(shù)字的字型碼，由串行口的接收端P3.0輸出，串行口的發(fā)送端P3.1輸出同步移位脈沖，P1.0控制3片74LS164的清零端，單片機(jī)的串行口工作在方式0，只要將需要顯示的3位數(shù)字的字型碼從串行口輸出，就能在3個數(shù)碼管上穩(wěn)定地顯示出來。

圖3 顯示電路

（1）串行輸入并行輸出移位寄存器74LS164。74LS164為8位移位寄存器，與單片機(jī)的串行口組成擴(kuò)展輸出端口的電路。當(dāng)清零端（CLR）為低電平時，輸出端（D0～D7）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)輸入。當(dāng) A、B任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CK）脈沖上升沿作用下D7為低電平。當(dāng)A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CK上升沿作用下決定D7的狀態(tài)。左邊的74LS164的輸入端A/B接單片機(jī)的P3.0用于接收串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)，中間和右邊的74LS164的輸入端分別接各自左邊的74LS164輸出的最低位D0，P3.1用于輸出同步脈沖，在P3.0每輸出一位數(shù)據(jù)時，P3.1同時輸出一個同步脈沖信號，在同步脈沖的作用下，將輸入數(shù)據(jù)從左邊的74LS164的D7輸出，原來的D7～D0的數(shù)據(jù)依次向右移一位，這樣當(dāng)3個8位的字型碼發(fā)送完，先發(fā)送的在最右邊的74LS164的D7～D0輸出，后發(fā)送的在左邊的74LS164的D7～D0輸出。

（2）數(shù)碼管。數(shù)碼管內(nèi)部由7個條形發(fā)光二極管和1個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。常見數(shù)碼管有10根管腳。其中COM為公共端，根據(jù)內(nèi)部發(fā)光二極管的接線形式，可分為共陰極和共陽極兩種。使用時，共陰極數(shù)碼管公共端接地，共陽極數(shù)碼管公共端接電源。每段發(fā)光二極管需5～10mA的驅(qū)動電流，才能正常發(fā)光，一般需加限流電阻控制電流的大小。

本系統(tǒng)采用3個單個共陰極的數(shù)碼管，工作在靜態(tài)顯示方式。將3個數(shù)碼管的公共端都接地，其余8個輸入端分別接74LS164的8個輸出端，每當(dāng)串行口發(fā)送3個字型碼時，數(shù)碼管就能穩(wěn)定地顯示出兩個被測信號的相位差。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要完成對時間差信號和周期信號的檢測的控制和采集，并通過計算轉(zhuǎn)換成兩個被測信號的相位差，再通過查表轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的字型碼，利用串行口將其發(fā)送。

3.1 相位差的測量

根據(jù)相位差的定義，兩個周期同為T的正弦信號，其相位差Φ與時間差Δt和周期T的關(guān)系為：Φ=（360°/T）Δt，在單片機(jī)控制下，信號檢測電路可以精確地測出T和Δt，從而可以計算出相位差Φ。

使用單片機(jī)內(nèi)部的定時器/計數(shù)器T0、T1分別測量Δt和T。將T0和T1設(shè)為內(nèi)部定時方式（C/T軈=0），工作方式選擇方式2（M1M0取10），門控位選擇軟件與硬件共同啟動（GATE=1），因此方式控制字為AAH；定時器/計數(shù)器T0、T1的初始值選擇00H；定時器/計數(shù)器T0、T1都工作在中斷方式，因此要開放定時器T0和T1的中斷（EA=1，ET0=1，ET1=1）。以Δt的檢測為例，將TR0置1后T0是否計數(shù)，取決于外部中斷0引腳上的信號，當(dāng)外部中斷0引腳上的信號由0變?yōu)?時，T0開始計數(shù)，計數(shù)器計滿時觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中，使用內(nèi)部寄存器R3記錄中斷次數(shù)，當(dāng)外部中斷0引腳上的信號由1變?yōu)?時，停止計數(shù)。因此只要將Δt信號接在外部中斷0引腳上，就可方便地求出以微秒為單位的Δt的數(shù)值，若晶振頻率為 12MHz，即 Δt=R3× 28+（TL0）。

同理，將T信號接在外部中斷1引腳上，就可方便地求出以微秒為單位的T的數(shù)值，即T=R5×28+（TL1），R5為記錄T1的中斷次數(shù)。

采用這種方法測量T和Δt的最大絕對誤差為1μs，主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 顯示子程序

顯示子程序完成將計算出的相位差Φ轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字型碼，然后再將其發(fā)送，就能在數(shù)碼管上顯示出來。代碼轉(zhuǎn)換時只需要定義一個0～9的字型碼表，利用查表指令，將計算出來的相位差查出相應(yīng)的字型碼，并存放在內(nèi)部RAM的3個存儲單元。在進(jìn)行串行發(fā)送的時候，首先將74LS164清零，設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)R7為3，串行口工作方式為方式0，因此SCON為00H，接著就可以啟動串行口發(fā)送，等待一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完后，清除發(fā)送中斷標(biāo)志位，再取下一個發(fā)送的數(shù)據(jù)，直到3個數(shù)據(jù)發(fā)送完。

4 結(jié)束語

相位差是交流信號的一個重要參數(shù)，采用AT89C51單片機(jī)作控制器，可充分利用單片機(jī)片內(nèi)的硬件功能和CPU處理功能。此測量方法具有硬件電路簡單、測量精度高、顯示直觀等優(yōu)點，具有一定的使用價值。

[1]劉文濤.MCS-51單片機(jī)實用教程[M].北京：原子能出版社，2005.

[2]劉訓(xùn)非.單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]任中民.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.