电参数测量系统设计

1、毕业设计开题报告电子信息工程电参数测量系统设计1、前言本课题主要研究的是基于DSP芯片和单片机的交流电参数测量系统的设计 与应用。该设计是以单片机为核心的对电量进行测量的系统。该系统具有结构简 单、操作方便、成本低廉等特点，着重介绍其硬件和软件设计方法。利用单片机 的控制运算功能，以软件代替硬件电路，用软件计算分析出各种有效值，使硬件 电路大大简化。电能是人们日常生活和工业生产中的主要能源之一，在现代社会中起着越来 越重要的作用。电能和其他商品一样，要经过生产、销售和消费。点能表是计量 电能的一种仪表，其准确度关系到电能生产者和消费者的切身利益，影响着电能 管理的效率和科学化水平。于是，电量测

2、量仪随之而产生，成为计量单位和供电 部门重要的测试仪器。电量测量仪器的发展经历了以下三个阶段:指针式仪表，数字测量仪表，智 能仪器，本文设计基于AT89C52单片机的智能电量测量仪器。电量测量与各个学科、各个行业的关系十分密切。电量测量是获取信息的重 要手段，在工农业生产、科学技术研究、国防现代化建设等各个领域有极为广泛 的应用。电量测量技术和电子仪器早已成为一种各行各业所需的通用技术和通用 设备。同时它还是一个把电子、计算机、通信与控制等电子信息专业知识综合应 用在测量科学技术中，而形成的一个独具特色的学科。其特点是综合性强、实践 性突出、应用面广泛。我们通过对电量测量的学习，不仅能获得电子

3、测量技术和 仪器方面的基础知识和掌握一门通用技术，而且可以培养综合应用能力与实践能 力1-。2、主题2.1研兖背景及意义单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩 写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一 个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设 备当中。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等 优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、 频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、

4、长度、硬度、元素、压力等物理 量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起 采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分 析仪）。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯 片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流 水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的

5、数据总线在两块中同时访问。（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。（7）可以并行执行多个操作。（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP芯片的优点有：大规模集成性、稳定性好、精度高、可编程性、高速性 能、可嵌入性以及接口和集成方便。DSP的芯片的缺点有：成本较高、高频时钟的高频干扰、功率消耗较大等。DSP芯片的主要应用领域有：信号处理、图像处理、仪器、声音语言、控制、 军事、通讯、医疗、家用电器等6-。 2.2国内外研究现状国内单片机的使用现状，基本上还以51系列为主的。其实这很普

6、遍，51系列单片机在国内的根基非常深厚，普通学校的教学一般还是以51作为 基本教材，51系列芯片本身也在不断的变化和发展。随着市场的分工和产 品设计所需求，PIC单片机在国内相关行业中的认知度提高的很快，其使用范围和市场占有率也随之迅速上升。计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单 片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用， 故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel 公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。单片 机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备

7、中。这一点是巨型机和网络 不可能做到的。数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造 工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单 片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分为三个方面说明单片机的 技术进步状况。（1）内部结构的进步单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例 如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行通信接口，Watchdog电 路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部 网络控制模块 CAN。例如，Infineon 公司的 C 505C，C515C，C167

8、CR，C167CS-32FM， 81C90； Motorola公司的68HC08AZ系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中， 内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系 统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。为了能在变频控制中方便使用单片 机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频 控制的脉宽 调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860 系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电 路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控

9、制等功能。（2）功耗、封装及电源电压的进步现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方 式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式Philips公 司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而 在节电方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片 机MSP430系列，它是一个16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方 式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于LMP1方式，即使外 围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于14MHz，这时功耗只有50A。 在LPM3时，振

10、荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3A。在LPM4时，CPU、外围及 振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1A。（3）工艺上的进步现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了 0.6nm以上的光 刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35nm甚至是0.25nm技术。 这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。所集成的部件越来越多；NS （美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图 象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而 不在

11、于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各 种应用电路。功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新 的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚 至难以辨认。70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的诞 生标志着DSP芯片的开端。随着半导体集成电路的飞速发展，高速实时数字信 号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断延伸，在80年代初至今的十 几年中，DSP芯片取得了划时代的发展。从运算速度看，MAC（乘法并累加）时 间已从80年代的400 ns

12、降低到40 ns以下，数据处理能力提高了几十倍MIPS （每秒执行百万条指令）从80年代初的5MIPS增加到 现在的40 MIPS以上。DSP芯片内部关键部件乘法器从80年代初的占模片区的40%左右下降到小于5%， 片内RAM增加了一个数量级以上。从制造工 艺看，80年代初采用4um的NMOS 工艺而现在则采用亚微米CMOS工艺，DSP芯片的引脚数目从80年代初最多64 个增加到现在的200个以上，引脚数量的增多使得芯片应用的灵活性增加，使 外部存储器的扩展和各个处理器间的通信更为方便。和早期的DSP芯片相比，现 在的DSP芯片有浮点和定点两种数据 格式，浮点DSP芯片能进行浮点运算，使 运算

13、精度极大提高。DSP芯片的成本、体积、工作电压、重量和功耗较早期的DSP 芯片有了很大程度的下降。在DSP开发系统方面，软件和硬件开发工具不断完 善。目前某些芯片具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、 数据存储器和DMA的访问及程序 的单部运行和跟踪等，并可以采用高级语言编 程，有些厂家和一些软件开发商为DSP应用软件的开发准备了通用的函数库及各 种算法子程序和各种接口程序，这使 得应用软件开发更为方便，开发时间大大 缩短，因而提高了产品开发的效率。目前各厂商生产的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、 AT&T公司的DSPX系列、Motolora公

14、司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos 公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统，可集数据采集、传输、存储和 高速实时处理为一体，能充分体现数字信号处理系统的优越性，能很好地满足载 人航天领域设备测量精度、可靠性、信道带宽、功耗、工作电压和重量等方面 的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向发展，各种各 类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出，应用技术和开发手段在不断完善。 这样为实时数字信号处理的应用一一尤其是在载人航天领域中的应用提供了更 为广阔的空间。我们有理由相信，DSP芯片进一步的发展和应用将会对载人航 天信

15、号处理领域产生深远的影响10-163总结综上所述，基于DSP芯片和单片机的电参数测量系统的设计与研究是有它的 巨大意义的。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应 温度范围宽、易扩展、多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗等优点。DSP 芯片具有大规模集成性、稳定性好、精度高、可编程性、高速性能、可嵌入性以 及接口和集成方便等优点。再加上在当代社会，电量测量技术又对我们是很重要 的一门技术而且它和我们的日常生活有很密切的关系。因此这三者的结合，定会 对我国的发展产生深远的影响，而作为当代大学生，我们更能够从中学到很多知 识和技术。4参考文献何立民.单片机应用系统设计M.北京:

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