三相信号发生器设计

1、信息与控制工程学院硬件课程设计说明书三相信号发生器设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 2013.4.222013.5.10 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology信息与控制工程学院硬件课程设计说明书课程设计任务书一、设计题目：三相信号发生器设计二、设计目的:1掌握三相信号发生器设计方法。2了解MSP430F169单片机硬件结构。3掌握MSP430F169系统的设计方法。4掌握直流稳压电源设计方法。三、设计任务及要求1学习MSP430F169单片机等器件的工作原理及各引脚的说明，掌握该单片机系统的工作原理和设

2、计方法。利用MSP430F169等元器件完成单片机系统设计和焊装、调试。2使用单片机和运算放大器等电子元件实现三相正弦信号发生器电路设计。3完成基于MSP430F169单片机的三相正弦信号发生器程序设计和系统电路硬件焊装、调试。四、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周次设 计 内 容设计时间第一周学习MSP430F169等器件的工作原理、各引脚说明和编程方法，学习三相信号发生器设计原理，查找相关资料。2013.4.22-2013.4.26第二周利用MSP430F169单片机等元器件完成三相信号发生器设计和焊装。2013.4.29-2013.5.3第三周完成三相信号发生器设计硬件

3、电路调试和软件程序调试，编写设计说明书。提交硬件设计作品及硬件课程设计说明书，完成硬件课程设计面试。2013.5.6-2013.5.10五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:2013年5 月11 日成绩指导教师(签字):- I -目 录课程设计任务书I第1章 绪论1第2章 三相基波信号发生器框图设计22.1 系统框图设计22.2 MSP430F169单片机概述22.2.1 MSP430F169单片机结构及外形图22.2.2 MSP430F169单片机的系统模块5第3章 三相基波发生器电路设计63.1 三相基波发生器电路设计63.2 复位电路及外围电路简介73.2.1 复位电路73.2.2 &

4、#177;5V直流电源73.2.3 三相基波发生电路83.2.4 按键电路93.2.5显示电路设计10第4章 三相基波发生器程序设计114.1相关参数计算114.2主要程序及流程图114.2.1 主要程序及其流程图114.2.2 看门狗定时器程序及其流程图13结 论17参考文献18- 17 -第1章 绪论随着电子技术的不断发展，各类电子系统对其性能的要求越来越高，如频率转换时间、频率分辨力、调幅、调频、调相、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求。这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域得到了广泛的应用。产生各类波形信号的信号发生器设计方法有多种，如自激振荡法、数字拟合法和波形合成法等。

5、本文所诉信号发生器是为了产生频率可调、向位移可调和波形可变的三相基波信号，设计中使用了数字拟合和波形合成设计方法，由MSP430F169单片机作为控制核心，片内两路D/A转换器通过数字拟合方法发出A相和B相频率可调、相位移可调的波形信号。根据三相交流电瞬时值之和为零的原理，通过A、B相合成C相信号，进而产生完整的三相基波信号。将基波信号经过高频三角波或锯齿波调制可产生出三相PWM控制信号，供逆变开关电路使用。MSP430F169的三相基波发生器设计，其原理是将基波数据预先存入单片机，利用单片机定时器控制片内DAC0和DAC1两个数模转换模块按所存数据更新输出，发出A相和B相信号，依据三相交流电

6、瞬时值之和为零的原理合成C相信号。其设计的优点是：信号波形、频率和相位移调整灵活、准确；造价低廉、易于实现。可广泛应用于电工、电子实验室和电类本科生的设计实践中。第2章 三相基波信号发生器框图设计2.1 系统框图设计由MSP430F169单片机为基构成的三相基波信号发生器，结构框图如图2-1所示。图2-1 三相基波信号发生器结构框图三相基波信号发生器由MSP430F169单片机、时钟和复位电路、LED显示器、输出驱动和波形合成等电路构成，可产生50Hz三相正弦信号。其核心是MSP430F169单片机。MSP430F169单片机带有两路DAC输出，分别为DAC0和DAC1。控制输入到DAC0和D

7、AC1的数字量，即可控制其输出的电压值。当输入的数据随时间按正弦规律变化时，即可在输出端得到正弦波信号。若使输入到两DAC的正弦数据相差120°，其输出波形也相差120°。编程时将一个周期正弦波分为36个时段，每时段起始正弦值存入数组，DAC用该数组数据拟合正弦波。当两DAC输入数据在所存数组中相差12个单元，即可保证DAC0和DAC1输出正弦波相位相差120°。设DAC0和DAC1对应三相正弦交流电中的uA和uB相电压，相电压uC =-（uA+ uB）。因此，可将DAC0和DAC1输出经反相加法器合成为相电压uC，使信号发生器同时输出三相基波信号。2.2 MSP

8、430F169单片机概述2.2.1 MSP430F169单片机结构及外形图MSP430F16x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存储器型）单片机中功能最强的子系列。MSP430F16x具有更大的程序和数据存储区、更多的外围模块，其片内甚至还包括一个硬件乘法器。同时F16x系列单片机开发工具简便，固化于FLASH存储器内的程序易于在线升级和调试，内置A/D和D/A转换模块，其具有丰富的片内外围，性价比极高，所以本题目采用这个型号作为微处理器。德州仪器公司（TI）推出的MSP430F16x系列是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。它采用"冯-纽曼"结构，

9、RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内。MSP430F16x单片机的设计结构完全以系统低功耗运行为核心。它的体系结构由五种低功耗模式组成，最优化延长电池寿命以利于便携式的测量应用。器件以最大代码效率的一台强有力的16 位RISC CPU 、16 位记数器, 和恒定的发电器为特色。数控晶振(DCO) 允许在不到6微秒内从低功率方式唤醒到活动方式。MSP430x15x/16x/161x 系列是微型控制器配置与二个固定16 位定时器, 8路快速的12 位A/D 转换器, 双路12 位D/A 转换器,两个通用连续同步/非同步通信接口(USART), I2C 、DMA, 和48 个I/O 引

10、脚。另外, MSP430x161x 系列提供强大的RAM 寻址为记忆密集和大量C 堆栈要求的应用。典型的应用包括获取模拟信号, 转换它们成数字值, 过程和传输数据给主机系统的传感器系统。定时器可利用在工业控制应用譬如数字式马达控制、手动仪表、光纤网络技术控制,等。其外形图如图2-2所示，其主要部件及其功能结构如图2-3所示。图2-2 MSP430F169单片机外形图图2-3 MSP430F169芯片的结构框图2.2.2 MSP430F169单片机的系统模块 1看门狗定时器：看门狗定时器（WDT）是MSP430系列单片机中常用的一种部件。  在工业现场，往往会由于供电电源、空间电磁干扰

11、或其他原因引起强烈的干扰噪声。这些干扰作用于数字器件，极易使其产生误动作，从而失去应有的控制功能，引起 MSP430发生“程序跑飞”事故。若不进行有效的处理，程序就不能回到正常的状态，从而失去应有的控制功能。看门狗定时器正是为了解放这类问题而产生的，尤其是在具有循环结构的程序任务中更为有效。在正常操作器件，一次 WDT 定时时间到，将产生一次器件复位。如果通过编制程序使 WDT 定时时间稍大于程序执行一遍所用的时间时，并且程序执行过程中都有对看门狗定时器清零的指令，使计数器重新计数，则程序正常执行时，就会在WDT定时时间到达之前对WDT清零，不会产生WDT溢出，如果由于干扰使程序跑飞，则不会在

12、WDT定时时间到达之前执行WDT清零指令，WDT就会产生溢出，从而产生系统复位CPU 需用重新运行用户程序，这样程序就可以又恢复正常运行状态。 MSP430看门狗除了具有上述系统监测的特定用途之外，还可以作为内部定时器来使用，当选择的时间到达之后，和其他定时器一样产生一个定时中断。此外 WDT 还可以被完全停止活动以支持超低功耗应用。2数模转换器：又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为

13、离散的数字信号的器件。D/A转换器DAC12：DAC12是12位，R阶，并且同时可以工作在8位和12位两种方式或者和DMA控制器一起使用。本设计中MSP430F169片内的D/A转换模块（DAC12）将数字化的正弦波所对应的数字量用硬件形式转换成模拟波形。因为MSP430F169片内集成ADC12、DAC12所以无需外部扩展实现上述功能的芯片，硬件结构简单，便于开发调试。DAC12_xDAT的数据格式 ：DAC12采用12位二进制数格式，由于DAC12是双路，所以当数字量从0到212变化时，对应的输出电压量也就从0到2.5V变化。输入数字量与输出电压关系如图2-4所示。图2-4 DAC12输出

14、量示意图第3章 三相基波发生器电路设计3.1 三相基波发生器电路设计MSP430F169单片机构成单片机系统电路图如3-1所示。图3-1 单片机系统电路3.2 复位电路及外围电路简介3.2.1 复位电路复位电路：为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。如图3-2所示。图3-2 复位电路3.2.2

15、 ±5V直流电源±5V直流电源为整个系统供电，如图3-3所示。图3-3 ±5V直流电源 1变压器的作用是将交流电网电压u变成整流电路要求的交流电压；四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，固有桥式整流电路之称。在电源电压u的正、负半周内电流通过负载方向相同，属全波整流，将交流电变为脉动。2滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种滤波电路。对小负载的电源，仅采用电容虑波即可。3稳压电路是将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路，一般均采用稳压芯片

16、制作稳压电路。由于稳压芯片具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。3.2.3 三相基波发生电路A相信号输出电路设计如图3-4所示。图3-4 A相信号输出电路 B相信号输出电路设计如图3-5所示。图3-5 B相信号输出电路C相信号输出电路设计如图3-6所示。图3-6 C相信号输出电路A相信号发生器：产生A相正弦波信号。B相信号发生器：产生B相正弦波信号。C相信号发生器：Ia=Ua/RIb=Ub/RIc=-（Ia+Ib）Vc=-R(Ia+Ib)=-（Ua+Ub） 单片机通过DAC0、DAC1发出V-sinA和V-sinB信号，电容、电

17、阻构成的高通滤波电路消除直流偏移量后经电压跟随器隔离输出A相和B相信号。通过反向加法器，按Uc=-(Ua+Ub)合成C相信号输出。3.2.4 按键电路 按键电路如图3-7所示。图3-7 按键电路图单片机每个20ms对按键进行一次扫描。按键引入经过二极管的电源电压VCC1，再经下拉电阻接地，当按键没有按下时，单片机读入低电平，当按键按下时读入高电平，大约4.3V。按下S1是频率加1；按下S2是频率减1；按下S3是确定频率。3.2.5显示电路设计 由单片机的P4.0发出数据，P1.0发出移位时钟信号，从而驱动74HC164，完成串行输入转并行输出用以驱动LED数码管。如图3-8所示。图3-8 LE

18、D显示模块电路第4章 三相基波发生器程序设计4.1相关参数计算DAC输出电压范围02.5V（峰峰值），对应输入数字量范围00FFFH；中心偏移量1.25V（对应数字量800H）；最大值1.25V（数字量800H）。若将一个正弦周期分为36个时段，各时段对应的DAC输入数值计算公式如下：正弦波正半周： （N=0、1、2、335） （4-1） 其中N为各时段序号，Din为DAC输入数值。逐段求出后基波数据后，转换成十六进制数用常量数组存入单片机。定时中断时间常数计算公式： （4-2）其中：Buf_TB是MSP430F169单片机定时器B定时中断时间常数；F是单片机定时器B所选时钟频率（8MHz）；

19、N1是一个基波周期所分时段数；N2是基波频率数。4.2主要程序及流程图4.2.1 主要程序及其流程图1. 主程序流程图如图4-1所示。主程序入口看门狗定时器初始化定时器B初始化部分参数初始化关CPU低功耗等待图4-1 主程序流程图2. 主要程序如下：/* main函数*/void main(void) unsigned char tmpv_1; WDTCTL = WDT_ADLY_250; / WDT间隔时间为250ms（ACLK） BCSCTL1 = XT2OFF+SELS; / 清零位 = 高频xtal on BCSCTL2 = SELS; / 选择SMCLK = HF xtal /P1D

20、IR |= 0x01; / Set P1.5 to output direction P4DIR |= 0x80; P4OUT=0x00; P3DIR |= 0x40; P3OUT=0x00; P1DIR |= 0x01; P1OUT=0x00; for(i=0;i<8;i+) P4OUT=NUM0i;P1OUT=0x01;P1OUT=0x00; for(i=0;i<8;i+) P4OUT=NUM5i;P1OUT=0x01;P1OUT=0x00; ADC12CTL0 = REF2_5V + REFON; / 内部 2.5V 参考源接通 DAC12_0CTL = DAC12IR +

21、DAC12AMP_5 + DAC12ENC; / 内部参考源为1 DAC12_1CTL = DAC12IR + DAC12AMP_5 + DAC12ENC; / 内部参考源为1 DAC12_0DAT = 0x800; / 1.25V DAC12_1DAT = 0x800; / 1.25V IE1 |= WDTIE; / 使能WDT中断 init_TB(); _EINT(); / 使能中断 / cont=0; for(tmpv_1=0;tmpv_1<72;tmpv_1+) NUM_RAM0tmpv_1=NUM_SIN0tmpv_1; NUM_RAM1tmpv_1=NUM_SIN0tmpv_

22、1; xdata=50; /aindata=setadata=24; /init_LCD(); / 初始化点阵LCD while(1) _BIS_SR(CPUOFF); /关CPU _NOP(); 4.2.2 看门狗定时器程序及其流程图1看门狗定时器程序流程图如图4-2所示看门狗中断程序入口P2口低3位读入值=？更新显示模块频率+1频率-1频率<10频率=10频率=99中断返回频率>99=1=2NNYY图4-3 看门狗定时器中断流程图2.看门狗定时器程序如下：/*WDT中断服务程序*/#pragma vector=WDT_VECTOR /中断程序入口地址_interrupt voi

23、d watchdog_timer (void)/interruptWDT_VECTOR void watchdog_timer(void) indata = P2IN & 0x07; if(indata!=0) switch(indata) case 1: xdata =xdata+1; if(xdata > 99) xdata = 10 ; break; case 2: xdata =xdata-1 ; if(xdata <10) xdata = 99 ; break; case 4: setdata = xdata; N2 = setdata; init_TB(); b

24、reak; a=xdata/10; b=xdata%10; switch (a) case 0: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv = NUM0tmpv ; break; case 1: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM1tmpv ; break; case 2: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM2tmpv ; break; case 3: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM3tmpv ; break

25、; case 4: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM4tmpv ; break; case 5: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM5tmpv ; break; case 6: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM6tmpv ; break; case 7: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM7tmpv ; break; case 8: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NU

26、M_atmpv =NUM8tmpv ; break; case 9: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_atmpv =NUM9tmpv ; break; switch (b) case 0: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv = NUM0tmpv ; break; case 1: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM1tmpv ; break; case 2: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM2tmpv ; break; c

27、ase 3: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM3tmpv ; break; case 4: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM4tmpv ; break; case 5: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM5tmpv ; break; case 6: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM6tmpv ; break; case 7: for(tmpv=0;tmpv<8;tmpv+) NUM_btmpv =NUM7tmpv ; break; case 8: for