lmf100芯片的工频选频表设计软件子系统
本系统是基于LMF100的工频选频表的设计，主要内容是软件方面的设计。主要的功能是对特定频率下的电压以及电流的采集，因此在进行各个等级电流、电压采集时还需要对其相位差进行检测。同时也需要控制中心根据采集的信号自动输出匹配信号去控制增益放大器以及LMF100滤波器。因此本文的软件设计需要对系统的电压、电流、相位差参数进行检测，由于采用的单片机型号是STC15F2K61S2，自带AD采集的功能，在硬件电路的设计中，需要将电流、电压信号转换成单片机可以识别的电压采集信号。对于增益放大器PGA204的控制则是采用单片机的端口执行直接的控制，对其几个放大的倍数进行编码控制。通过LMF100输出的电压、电流的相位差采集则是利用单片机的定时器端口对其定时，然后通过计算，完成相位差的采集。最终会通过LCD1602将采集的数据显示出来，让使用者对系统的运行状况有直观的了解。关键词 LMF100,电压,相位差, 显示
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 发展现状 2
1.3 本设计内容 4
2 方案设计 4
2.1 基础理论知识 4
2.2 系统方案设计 5
2.3 程序方案设计 7
3 软件设计 9
3.1 主程序设计 9
3.2 AD程序设计 10
3.3 相位差程序设计 12
3.4 增益调节程序设计 15
3.5 显示程序设计 16
3.6 频率设置程序设计 17
4 系统调试 18
4.1 系统调试内容 18
4.2 调试内容分析 19
4.3 硬件调试流程 19
4.4 软件调试流程 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 24
附录B 25
1 绪论
1.1 课题背景及意义
大型地网中杂散电流对测量大型地网中的接地电阻造成干扰，也很大程度上影响到跨步电压和接触电压等电压参数的测 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
量[1]。因此，开发一款具有选频功能的电表用于配合大型地网接地电阻测试仪对于大地表面电位梯度，跨步电压和接触电位差的抗干扰测量是非常重要的。在测量时，大型地网接地电阻测试仪对接地装置输出一个不同于工频的恒定电流信号，选频表配合大型地网接地电阻测试仪滤除工频干扰并对该电流进行检测[2]。
工频选频表在电网系统的测量中非常重要，可以根据测量的要求进行特定频率下的电压检测[3]。尤其是通过LMF100的滤波器处理过的信号，使得信号的检测更加的准确，并且此滤波器可以通过控制系统进行控制。在当今的检测系统中，能够自动适应检测系统的测量仪器发展迅速。由于当前一些检测系统需要检测的电压等级有很多，以往的许多测量仪器只能适应一些简单的测量，对于比较复杂的测量的要求不能够达到。而本文所设计的工频选频表是通过单片机的智能控制实现的，在检测的时候会根据被检测的信号大小进行自动的适应。例如在检测电压时，可以根据电压的大小自动去改变检测的量程，检测的过程中不需要手动调节量程，因此这样的检测仪器在实际应用中非常的方便，并且也受到了欢迎[4]。本系统就是为了解决测量的便携性，从而设计的测量仪器。一个比较稳定，并且精度较高的测量仪器都会有很多信号处理的电路，这样的处理电路不仅可以提高信号采集的精度，同时也可以进行一些数据的拟合，使得采集的数据更平滑。在一些检测参数要求比较高的系统中就会用到这样的仪器。本系统在设计的时候就是增加了许多信号的处理的电路，通过增益放大器、滤波电路去完善检测的参数。最重要的一部分是系统的控制芯片，一般的测量系统中都是采用纯电子逻辑电路来检测系统的参数，没有智能的控制芯片去计算信号。而未来的检测仪器都会具有灵活控制电路去完成数据检测的功能，在检测系统中加入可编程的器件，可以使系统的检测更加便捷。主要是控制芯片可以进行大量数据的计算，尤其是实现闭环的控制，可以根据检测的信号，然后通过内部数据的计算去完成信号的输出，最终可以控制整个系统的运作。这样的测量仪器的研究制作，在未来的检测系统中很有意义，是未来检测系统的发展趋势。另一方面就是当前半导体技术的发展，使得控制芯片的功能越来越强大，价格越来越便宜，给予使用者的资料越来越多，开发的难度越来越简单[5]。由于这些有利的环境，让检测系统的智能性大大的提高。因此对于选频表的设计中采用单片机等智能控制芯片不仅可以简化设计，而且更易于实现功能。通过上述的背景以及意义的介绍，可以对电气自动化专业的学生的研究设计起到一定的帮助作用[6]。
1.2 发展现状
随着仪器仪表和信息管理的高度自动化，以计算机为中心的信息处理与过程控制结合的智能仪表系统诞生[7]。智能仪表是计算机技术与测试技术的结合，是微机或微处理器的测量仪器。由于他拥有数据存储，计算，逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能化程度，被称为智能仪表。智能仪器的出现，大大扩大了传统仪器的应用范围。智能仪表体积小巧，功能强大，功耗低等优点，迅速在家用电器，科研单位和工业企业得到广泛应用[8]。
随着微电子技术的不断发展，集成CPU，存储器，定时器/计数器，并行和串行接口，看门狗，前置放大器甚至A/D，D/A转换器电路在芯片上非常大集成电路芯片（即单芯片）出现。以单片机为主体，将计算机技术与测控技术结合在一起形成所谓的“智能测控系统”，即智能仪表[9]。
20世纪50年代以前，仪器的功能由硬件实现。几乎没有软件干预。它是由制造商在产品工厂中完全定义的[10]。测量结果由指针指示。它被称为模拟仪器。体积大，功能好，开放性差[11]。 20世纪60年代，随着集成电路的出现，产生了基于集成电路芯片的数字电路。基本工作原理是在测量过程中将模拟信号转换为数字信号。测量结果以数字形式显示和输出。阅读清晰，反应快，精度高[12]。 20世纪70年代，仪器中使用微处理器，仪器前面板开始朝键盘方向发展，测量系统经常通过IEEE488总线连接。不同于传统的独立仪器模式的个人设备已经开发等等。 80年后，仪器仪表智能突出表现在以下几个方面：微电子技术对仪器设计的深刻影响; DSP芯片出现，使仪表数字信号处理大大提高;微电脑开发，使仪器具有较强的数据处理能力;图像处理功能增加非常普遍; VXI总线已被广泛应用[13]。
近年来，智能测控仪器的发展特别快。国内市场出现了各种智能测控仪器，例如可以自动进行智能节流流量计的差压补偿，可编程温控智能多级温控器，实现数字PID和各种复合控制智能调节器，以及各种频谱分析和智能色谱数据处理等[14]。例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ3000系列智能变送器，可以进行差压复合测量状态，变送器主体可以进行温度，静压等实现自动补偿，精度可以达到±0.1％FS;美国RACADANA 9303型超高电平表，采用微处理器消除电流产生的电阻，由测量电平产生的热噪声可以低至77dB; FLUKE公司生产的多功能校准器5520A，内部采用三个微处理器，短期稳定性为1ppm，线性度可达到0.5ppm;美国FOXBORO公司的数字自调节调节器，采用专家系统技术，可以像经验丰富的控制工程师，根据当前参数快速调整调节器[15]。该调节器特别适用于可变或非线性控制系统。由于该调节器可以自动调整调整参数，整个系统始终能保持生产过程中的最佳质量[16]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 发展现状 2
1.3 本设计内容 4
2 方案设计 4
2.1 基础理论知识 4
2.2 系统方案设计 5
2.3 程序方案设计 7
3 软件设计 9
3.1 主程序设计 9
3.2 AD程序设计 10
3.3 相位差程序设计 12
3.4 增益调节程序设计 15
3.5 显示程序设计 16
3.6 频率设置程序设计 17
4 系统调试 18
4.1 系统调试内容 18
4.2 调试内容分析 19
4.3 硬件调试流程 19
4.4 软件调试流程 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 24
附录B 25
1 绪论
1.1 课题背景及意义
大型地网中杂散电流对测量大型地网中的接地电阻造成干扰，也很大程度上影响到跨步电压和接触电压等电压参数的测 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
量[1]。因此，开发一款具有选频功能的电表用于配合大型地网接地电阻测试仪对于大地表面电位梯度，跨步电压和接触电位差的抗干扰测量是非常重要的。在测量时，大型地网接地电阻测试仪对接地装置输出一个不同于工频的恒定电流信号，选频表配合大型地网接地电阻测试仪滤除工频干扰并对该电流进行检测[2]。
工频选频表在电网系统的测量中非常重要，可以根据测量的要求进行特定频率下的电压检测[3]。尤其是通过LMF100的滤波器处理过的信号，使得信号的检测更加的准确，并且此滤波器可以通过控制系统进行控制。在当今的检测系统中，能够自动适应检测系统的测量仪器发展迅速。由于当前一些检测系统需要检测的电压等级有很多，以往的许多测量仪器只能适应一些简单的测量，对于比较复杂的测量的要求不能够达到。而本文所设计的工频选频表是通过单片机的智能控制实现的，在检测的时候会根据被检测的信号大小进行自动的适应。例如在检测电压时，可以根据电压的大小自动去改变检测的量程，检测的过程中不需要手动调节量程，因此这样的检测仪器在实际应用中非常的方便，并且也受到了欢迎[4]。本系统就是为了解决测量的便携性，从而设计的测量仪器。一个比较稳定，并且精度较高的测量仪器都会有很多信号处理的电路，这样的处理电路不仅可以提高信号采集的精度，同时也可以进行一些数据的拟合，使得采集的数据更平滑。在一些检测参数要求比较高的系统中就会用到这样的仪器。本系统在设计的时候就是增加了许多信号的处理的电路，通过增益放大器、滤波电路去完善检测的参数。最重要的一部分是系统的控制芯片，一般的测量系统中都是采用纯电子逻辑电路来检测系统的参数，没有智能的控制芯片去计算信号。而未来的检测仪器都会具有灵活控制电路去完成数据检测的功能，在检测系统中加入可编程的器件，可以使系统的检测更加便捷。主要是控制芯片可以进行大量数据的计算，尤其是实现闭环的控制，可以根据检测的信号，然后通过内部数据的计算去完成信号的输出，最终可以控制整个系统的运作。这样的测量仪器的研究制作，在未来的检测系统中很有意义，是未来检测系统的发展趋势。另一方面就是当前半导体技术的发展，使得控制芯片的功能越来越强大，价格越来越便宜，给予使用者的资料越来越多，开发的难度越来越简单[5]。由于这些有利的环境，让检测系统的智能性大大的提高。因此对于选频表的设计中采用单片机等智能控制芯片不仅可以简化设计，而且更易于实现功能。通过上述的背景以及意义的介绍，可以对电气自动化专业的学生的研究设计起到一定的帮助作用[6]。
1.2 发展现状
随着仪器仪表和信息管理的高度自动化，以计算机为中心的信息处理与过程控制结合的智能仪表系统诞生[7]。智能仪表是计算机技术与测试技术的结合，是微机或微处理器的测量仪器。由于他拥有数据存储，计算，逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能化程度，被称为智能仪表。智能仪器的出现，大大扩大了传统仪器的应用范围。智能仪表体积小巧，功能强大，功耗低等优点，迅速在家用电器，科研单位和工业企业得到广泛应用[8]。
随着微电子技术的不断发展，集成CPU，存储器，定时器/计数器，并行和串行接口，看门狗，前置放大器甚至A/D，D/A转换器电路在芯片上非常大集成电路芯片（即单芯片）出现。以单片机为主体，将计算机技术与测控技术结合在一起形成所谓的“智能测控系统”，即智能仪表[9]。
20世纪50年代以前，仪器的功能由硬件实现。几乎没有软件干预。它是由制造商在产品工厂中完全定义的[10]。测量结果由指针指示。它被称为模拟仪器。体积大，功能好，开放性差[11]。 20世纪60年代，随着集成电路的出现，产生了基于集成电路芯片的数字电路。基本工作原理是在测量过程中将模拟信号转换为数字信号。测量结果以数字形式显示和输出。阅读清晰，反应快，精度高[12]。 20世纪70年代，仪器中使用微处理器，仪器前面板开始朝键盘方向发展，测量系统经常通过IEEE488总线连接。不同于传统的独立仪器模式的个人设备已经开发等等。 80年后，仪器仪表智能突出表现在以下几个方面：微电子技术对仪器设计的深刻影响; DSP芯片出现，使仪表数字信号处理大大提高;微电脑开发，使仪器具有较强的数据处理能力;图像处理功能增加非常普遍; VXI总线已被广泛应用[13]。
近年来，智能测控仪器的发展特别快。国内市场出现了各种智能测控仪器，例如可以自动进行智能节流流量计的差压补偿，可编程温控智能多级温控器，实现数字PID和各种复合控制智能调节器，以及各种频谱分析和智能色谱数据处理等[14]。例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ3000系列智能变送器，可以进行差压复合测量状态，变送器主体可以进行温度，静压等实现自动补偿，精度可以达到±0.1％FS;美国RACADANA 9303型超高电平表，采用微处理器消除电流产生的电阻，由测量电平产生的热噪声可以低至77dB; FLUKE公司生产的多功能校准器5520A，内部采用三个微处理器，短期稳定性为1ppm，线性度可达到0.5ppm;美国FOXBORO公司的数字自调节调节器，采用专家系统技术，可以像经验丰富的控制工程师，根据当前参数快速调整调节器[15]。该调节器特别适用于可变或非线性控制系统。由于该调节器可以自动调整调整参数，整个系统始终能保持生产过程中的最佳质量[16]。
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