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1、 基于CPLD的智能数字电压表设计1 绪论1.1 课题背景及意义随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，其中电压的测量甚为突出。数字电压表是采用数字化测量技术设计的电压表。传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展历史，虽经得到不断改进和完善，仍无法满足现在电子测量的需要。数字电压表自1952年问世以来，显示出强大的生命力，现已成为电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。数字电压表在电子领域发挥着越来越重要的作用，相对传统的电压表，显示明了、直观、读数准确，准确度高，分辨力高，扩展能力强，反应速度快，高集成度，抗干扰能力强，功耗
2、小等诸多优势而得到迅速发展。另一方面，当前数字系统的设计正朝着容量大、速度快、体积小、重量轻的方向发展，推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。目前数字系统的设计可以直接面向用户要求，根据系统的行为和功能要求自上而下逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。CPLD被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中，因为它具有集成度高、编程较灵活、设计开发周期短、开发工具先进、工艺性强、容易上手、适用范围广、性价比较高、保密性强等特点，可实现较大规模的电路设计。DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，现在已经广泛应用于电子、电工测量，
3、自动化测试系统等领域。故数字电压表已成为一种必不可少的测量仪器。本设计利用CPLD在系统设计中的各种优势，在Quartus II平台上进行开发智能数字电压表。不仅能满足用户测量需要，而且考虑到了在这技术日新月异的年代系统升级的问题，迎合了社会资源有效利用的发展理念，另一方面，给用户节省了不少系统设计成本。1.2 国内外研究状况数字电压表在这50多年来有了很大的突破。数字电压表类型越来越多，采用不同的原理和电子元件，精确度不断上升，集成度增加。数字电压表的发展微型化，智能化，性价比更高，功能更全面，可靠性更高，外观更精致，功耗更小，应用更广泛。近 20 年来，在高新技术如微电子技术、计算机技术、
4、集成技术、网络技术等得到了迅猛发展的背景和形势下，不断地向仪器仪表提出了更新、更高、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化（微型化）、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化；在服务上专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化以及组装生
5、产自动化、无尘（或超净）化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展2。在这“二十化”中，占主导地位、起核心或关键的作用是微型化、网络化、虚拟化、数字化和智能化。 数字电压表的设计和开发，已经有各种各样的类型和款式。传统的数字电压表不够智能，适合人工手动现场测量，无法完成对远程测量数据的有效处理，这是在技术高度智能化的背景下无法满足人们的测量需求。相反高智能的数字电压表基于PC通信，不但可以将测量数据进行存储传输，而且可以借助计算机或内置软件对测量数据作进一步地处理。因此未来数字电压表的发展，无论在功能和实际应用上，较传统电压表更具有搞性能，高性价比，高智能化，这使得智能数字电压表有着良好的发展应
6、用前景。1.3 本课题的主要内容本课题的主要内容如下：(1) 介绍数字电压表的研究背景及意义，指出了CPLD的发展优势：编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化。另外还介绍了数字电压表的国内外发展及应用状况。(2) 对数字电压表进行探讨，首先介绍了数字电压表的基本特点，指出了其精确度高，微功耗，抗干扰能力强，便于扩展等特性。其次着重介绍了数字电压表的基本结构组成，简述了其工作原理。(3) 提出系统总体设计方案。首先叙述本次设计的技术参数，然后总体介绍了单片机在数字电压表中的应用，说明选取CPL
7、D为控制核心设计电压表的相对优势，最后，确定了基于CPLD的智能数字电压表总体设计方案，进行了模块化设计。(4) 系统硬件电路设计。叙述了电源电路、A/D转换部分的电路（包括分压电路，换挡电路和A/D转换电路）、显示电路的工作原理并进行了电路设计。(5) 系统软件设计。首先介绍了Quartus II设计平台和DHL语言的应用，然后针对本课题提出软件编程方案：采用模块化设计，整个程序的编写分主程序、A/D转换子程序、FIFO子程序、分频子程序、BCD译码子程序和动态扫描子程序，并给出A/D转换子程序的状态机，FIFO子程序和动态扫描原理。同时根据模块化的设计方案，编写出各部分程序的源代码。(6)
8、 总结了设计功能，指出了设计的不足之处，并对系统的未来扩展进行了展望。2 系统总体设计数字电压表简称DVM（Digital Voltmeter）。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪器。智能化数字电压表则是大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。2.1 数字电压表的基本结构随着技术的发展，人们对测量技术的要求越来越搞，相对传统的电压表，数字电压表主要有以下特点：显示清晰、直观、读数准确，准确度高，分辨力高，测量范围宽，扩展能力强，测量速度快，输入阻抗高，集成度高，微功耗，抗干扰能力强。下面介绍数字
9、电压表的基本结构，以及由它扩展而成的数字多用表DMM（Digital Multipler）的整机框图。普通数字电压表的基本结构如图2.1所示。主要包括8部分：输入电路；A/D转换器；基准电压源；计数器；逻辑控制器；译码驱动器；数字显示器；电源。总电路又可归纳成模拟与数字两大部分，为模拟部分，是数字部分。图2.1 数字电压表的基本结构输入电路的作用是将基本量程变为扩展量程，以便构成多量程数字电压表，满足各种测量的需要。当扩展量程高于基本量程时，需经分压器对输入电压进行衰减，在送至A/D转换器中。若扩展量程低于基本量程，应通过前置放大器将输入电压进行放大。A/D转换器是DVM的心脏，应用它可以将模
10、拟量转换成数字量。逻辑控制器是仪表的中枢，用以控制A/D转换顺序，保证测量正常进行。A/D转换结果就反应在计数器中，并通过译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。数字电压表中常用的显示器件有辉光数码管、荧光数码管（VFD），液晶显示器（LCD），发光二极管数码显示器（LED），CMOS-LED光电组合器件（CL）,LED点阵显示器4。目前，A/D转换器的类型多达数十种：积分型、斜波型、比较型、脉宽型、复合型等。2.2 本设计技术参数（1）本设计最高量程为380V。（2）本设计分5个档量程：05V，050V，0110V，0220V，0380V。可以通过调档开关实现各档位。量程为05
11、V时，精确度约为0.02V。（3）所测量的交流电压的频率要小于64KHZ。（4）本设计进行四位有效数字显示。2.3 单片机在智能数字电压表中的应用2.3.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统9。单片机具有体积小、微型化、功耗低、扩展灵活、控制功能强和使用方便等优点，得到广泛的应用。随着技术的发展，各种单片机可供选择。速度，稳定性
12、，兼容性，功能单元等是评价单片机性能的重要依据。市面上主流单片机有AT89S与AVR单片机，PIC单片机，STC单片机，Motorola单片机，MSP430单片机，GMS90系列单片机等。2.2 AT89C51单片机内部结构框图单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。有着明显的硬件特性：(1)单片机集成度高；(2)系统结构简单，使用方便，实现模块化； (3)单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障； (4)处理功能强，速度快；(5)低电压，低功耗，便于生产便携式产品；(6)控制功能强；2.3.2基于单片机的智能电压表基于以上优点，单片机在各种仪器仪表控制器件中得到广泛的应用，
13、并且在智能电压表中的应用表现出良好的性能。目前，由各种基于单片机控制的数字电压表，在智能化各个测量领域得到广泛应用，并展现出良好的发展前景。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。基于单片机的数字电压表一般包括单片机控制模块、复位电路、电源电路、显示模块、A/D转换模块、校准电路等。图2.3 基于单片机的数字电压表设计框图单片机复位电路设计的性能,关系到整个系统工作的可靠性。复位电路的作用：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可
14、以提高电磁兼容性能。目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标，直接影响系统的整体性能。电源电路一般可分为开关电源电路，稳压电源电路，稳流电源电路，功率电源电路，逆变电源电路，DC-DC电源电路，保护电源电路等。有些场合需要隔离电源，将信号传输通路完全隔离，以提高系统的安全性和抗干扰性能。例如，光电耦合器输入/输出电路的供电，模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。A/D转换模块
15、一般包括A/D转换器。A/D转换后得到的是数据，这些数据应传送给89C51单片机进行处理。根据数据传送确认方式A/DC与单片机有下述三种连接方式：定时传送方式、查询传送方式、中断传送方式。显示模块是人机交互的接口，使设计更直观。常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。2.4 CPLD在智能电压表中的应用在数字技术蓬勃发展的今天，CPLD有着不可忽略的作用。2.4.1 CPLD相对优势传统的数字电压表采用模/数转换器件和通用集成路逻辑器件来设计，这样的设计不便于体统的修改和升级，缺少灵活性，接线复杂，体积大，故障率高。另外，以单片机为控制核心的数字电压表的设计
16、所用器件少，使用灵活，是目前使用最为广泛的一种设计方式。但是在设计和调试的过程中，也出现了一些问题，如工作速度较低，功能修改及调试都需要硬件电路的支持等，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难，可编程逻辑器件（CPLD）设计的数字电压表除了能完成数字逻辑的基本功能之外，更具有系统及设计的优势，用硬件描述语言决定系统功能，可以在硬件不变的情况下根据需要修改程序，以更新和扩展功能，其灵活性和适用性显著提高13。在控制领域，还有许多功能更为强大的控制器件，如DSP，ARM。但不论是在经济上还是开发难易程度上来说，都不是最佳选择。因此本设计是以CPLD为控制核心进行设计的。2.4.2 CPLD简介及开发流程CPL
