電壓測量系統(tǒng)的設(shè)計

蔡驍

（貴州航天電子科技有限公司，貴州貴陽，550009）

0 引言

本文給出一個構(gòu)成該系統(tǒng)的設(shè)計方案，文中介紹了該方案涉及的電路器件和關(guān)鍵程序示例。本方案采取的方法是通過FPGA控制電壓采集芯片MAX1312將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電子數(shù)字量，并根據(jù)電壓數(shù)字量得到顯示數(shù)字量，最后控制液晶顯示屏SG240128-01D進(jìn)行顯示數(shù)字量的顯示。本方案中FPGA選用低端即可。

1 電路簡介

本方案設(shè)計的電壓測試系統(tǒng)主要包含電源電路、電壓采集電路、FPGA電路和串口電路，測量電壓范圍為0V～+5.0V。電路供電電壓為+5.0V，電路中需要使用的電壓有+5.0V、+3.3V和+1.5V。電源電路就是+5.0V的輸入電壓經(jīng)過芯片LM1117-3.3和芯片LM-1117-1.5得到需要的+3.3V和+1.5V的電壓。為避免電壓采集電路對前級電路狀態(tài)的影響，可在電壓模擬量在輸入MAX1312芯片之前經(jīng)過一個可增大輸入阻抗的運(yùn)放AD824。MAX1312是8通道輸入、采樣精度12位、可采電壓范圍為-10V～+10V的電壓采集芯片，可滿足多數(shù)情況下電壓測量需求。隨著FPGA的普及，已廣泛使用在各種領(lǐng)域，其電路簡單常見。本方案中選用10MHz的工作頻率。

顯示電路設(shè)計，實(shí)質(zhì)就是一個電壓轉(zhuǎn)換與電流驅(qū)動，由于從FPGA芯片出來的電壓是3.3V，而顯示屏的工作電壓是+5.0V，而且既有輸入，又有輸出，因此需要使用將FPGA輸出的+3.3V電壓轉(zhuǎn)換為+5.0V電壓，也需要將由液晶顯示屏輸出的+5.0V電壓轉(zhuǎn)化為+3.3V。本方案中，選用具備+5.0V電壓與+3.3V電壓互轉(zhuǎn)功能的驅(qū)動芯片74LVX4245，74LVX4245有一個電壓轉(zhuǎn)換方向選擇管腳，當(dāng)該管腳連接到高電平（+3.3V）時，該綦江實(shí)現(xiàn)的是從+5.0V電壓到+3.3V的轉(zhuǎn)換；當(dāng)該管腳連接到低電平時，該期間實(shí)現(xiàn)的是從+3.3V電壓到+5.0V電壓的轉(zhuǎn)換。

2 液晶顯示屏簡介

液晶顯示屏選用的是北京集粹電子設(shè)備制造有限公司的SG240128-01D產(chǎn)品。該系列的液晶顯示屏內(nèi)部集成了T6963C控制芯片，自身帶有常用字符庫（沒有漢子庫）。對液晶顯示屏的使用主要是對T6963C顯示控制器的控制，然后由T6963C顯示控制器完成對行驅(qū)動器、列驅(qū)動器和存儲器的驅(qū)動，從而得到我們所需要的各種字符或圖形的顯示。

SG240128-01D液晶顯示屏內(nèi)部電路工作原理較為復(fù)雜，留有一個與外部通信的22芯片接口，在使用的時候，只需通過這個接口根據(jù)控制要求發(fā)送相應(yīng)的控制命令或數(shù)據(jù)給T6963C顯示控制器，就可顯示所期望字符或圖形。因此使用者只需要了解22芯片的接口定義及各種控制輸入即可。

SG240128-01D液晶顯示屏內(nèi)部對液晶顯示的控制和驅(qū)動都是由模塊內(nèi)部的芯片及電路來實(shí)現(xiàn)的，顯示驅(qū)動所需的參數(shù)（如占空比系數(shù)、驅(qū)動傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)/行以及字符的字體選擇等）均有引腳電平來設(shè)置，液晶顯示屏的初始化在上電時就已基本設(shè)置完成。除此之外，它還具有很強(qiáng)的軟件控制能力，也就是由FPGA通過接口寫入液晶模塊的指令來實(shí)現(xiàn)模塊控制。軟件控制主要集中于顯示功能的設(shè)置上。

3 程序設(shè)計

3.1 采集模塊程序設(shè)計

采集模塊程序就是控制MAX1312芯片工作，得到所想要的電壓模擬量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。MAX1312的工作頻率可以使用其內(nèi)部時鐘頻率，也可使用外部時鐘頻率，本方案中選用頻率為10MHz的外部時鐘頻率，采集模塊程序的時鐘頻率也選用10MHz，8路通道同時使用。采集模塊的程序思路是：先對MAX1312芯片進(jìn)行初始化，延遲一段時間后，啟動電壓轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，即可讀取電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

3.2 轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計

得到模擬電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)字量后，還不知道要顯示的具體數(shù)值，要想得到具體數(shù)值，有多種方法，其中一種是根據(jù)MAX1312的工作原理進(jìn)行計算的計算法，還有一種是通過查表直接得到的查表法。由于計算法涉及到二進(jìn)制小數(shù)、二進(jìn)制乘法等教復(fù)雜的程序，而使用軟核，又對FPGA芯片有要求，本方案中使用查表法。該方法雖繁瑣，但是對FPGA芯片要求低，而且程序簡單。該方法原理是先根據(jù)顯示電壓值的位數(shù)和精度，推算出對應(yīng)的電壓數(shù)字量范圍，然后根據(jù)采集模塊得到的電壓數(shù)字量，得到要顯示的數(shù)字量。比如用MAX1312測量正電壓時，要顯示的電壓值是到小數(shù)點(diǎn)后一位，顯示精度為0.1V，如果要顯示的電壓值為4.0V，那么實(shí)際測量出的電壓值范圍應(yīng)該是：3.95V～4.04V。計算3.995V對應(yīng)的數(shù)字量：3.95V×212÷20V≈809，將809換算為12位的二進(jìn)制：001100101001；計算4.04V對應(yīng)的數(shù)字量：4.04V×212÷20V≈827，將827換算為12位的二進(jìn)制：001100111011。

以此類推，可得到0V～+10V的顯示轉(zhuǎn)換程序。如果用MAX1312測量的電壓中有負(fù)電壓，由于采集模塊得到的電壓數(shù)字量是補(bǔ)碼，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，先要判斷得到的電壓數(shù)字量表示的是正電壓還是負(fù)電壓，如果是正電壓，采用方法如上所述。如果是負(fù)電壓，則需先標(biāo)識顯示符號，再計算出不帶符號位的原碼，然后采用與上相同的方法，即可得到負(fù)電壓的顯示數(shù)字量。

3.3 顯示模塊程序設(shè)計

得到電壓顯示數(shù)字量后，就是將其值顯示出來，根據(jù)液晶顯示屏的工作原理，先要對其進(jìn)行初始化和清屏處理，然后進(jìn)行顯示。初始化就是確定采用哪種方式進(jìn)行顯示（文本/圖形），再來設(shè)置顯示緩沖區(qū)中圖形區(qū)的首地址、寬度和文本區(qū)的首地址、寬度。此后可選擇光標(biāo)的形狀，繼而進(jìn)行顯示開關(guān)設(shè)置。而清屏操作就是讓顯示屏清掉不必要的顯示，為正確的顯示做好準(zhǔn)備，一般都是讓整個屏全部顯示空格符。顯示電壓值時，要顯示的字符都是從字符庫里調(diào)用的。這時使用自動寫模式，這條命令對整屛數(shù)據(jù)操作十分黨鞭，設(shè)置自動模式后，每個數(shù)據(jù)之間不再需要讀/寫命令。“數(shù)據(jù)自動讀/寫”命令后應(yīng)根“地址指針設(shè)置”命令，每個數(shù)據(jù)讀/寫后，地址指針自動加1，所有數(shù)據(jù)讀/寫完成后，需要執(zhí)行自動模式復(fù)位命令返回到正常操作模式。每個數(shù)據(jù)讀/寫之間應(yīng)當(dāng)檢查狀態(tài)寄存器自動模式位，自動模式復(fù)位也應(yīng)當(dāng)在檢查自動模式位后執(zhí)行。

在調(diào)用字符庫時，“寫顯示數(shù)據(jù)”的內(nèi)容就是要顯示字符在字庫中的地址，由于在顯示模塊程序匯總使用最后的是檢查狀態(tài)位以及對數(shù)據(jù)或命令的讀寫。

4 結(jié)論

本文提供的電壓測量方案適用于多種場合，轉(zhuǎn)換程序可根據(jù)實(shí)際情況選用其他方法，如選用較高端的FPGA，可使用軟核進(jìn)行設(shè)計；也可使用計算機(jī)代替液晶顯示屏進(jìn)行顯示，這時程序就只需要采集模塊，轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊部分程序在計算中完成，整個方案就更加簡單。