FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用

为了方便用户准确掌握手中RLC(电阻电容电感)的各项参数，笔者提供了一种采用FPGA和MCU的测量系统，可自动测量RLC的多项基本参数，系统以液晶屏显示测量结果，并可根据需要打印测量的结果，与现有的昂贵测试仪相比，该测量系统功能精简、操作智能化、人机接口友好。 1 方案设计与论证 为满足高校实验室教学需要，设计一个低成本RLC电参数测量系统，本系统采用基于C8051F020单片机的可编程控制系统方案，单片机生成各种波形的数据表传输给FPGA，使用DDFS技术使FPGA生成所需要的波形并进行输出，通过DA转换模块，将数字信号转换成模拟信号，通过程控放大器AD603，由单片机控制AD603进行增益的调整，再经过NE5532构成的调理电路对其进行电压放大¨’2]。产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串连电路，通过测量电容或者电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值，利用C8051F020单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，采用液晶模块实时显示数值。系统总体组成框图如图1所示。 1．1 DDS简介 直接数字频率合成(DDS)技术是通过累加相位来合成所需波形的频率合成技术。利用DDS设计的波形发生器具有精度高、稳定性好、频率和波形易于控制等优点¨1。DDS主要由参考时钟、相位累加器、波形存储器、数模转换器和滤波器组成，近年来在频率合成、通信、仪器测量领域均有广泛地应用。 1．2信号产生模块 要求设计的正弦波信号发生器的频率范围较宽，其频率范围是1Hz～1MHz，且可以对频率进行设置，还有频率步进调节的功能，一般传统的LC谐振回路或无源RC结合运放的方式很难达到这一要求，所以我们提出利用DDS原理使用FPGA实现的解决方案。用FPGA实现波形信号的输出，只需要在FPGA内部建立一个波形数据表，然后在时钟的驱动下，读取数据表中的数据，经过高速DA的转化，即可得出需要的波形。要输出不同的波形，改变波形数据表中的内容即可实现。若要实现频率的设置和步进，只需要给FPGA相应的数据关键字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技术，对于不同波形，可建立不同存储表即可输出相应的波形，也可由外部输入波形表来完成任意波形的输出。频率范围高、精度高，方便与其它设备接口。FPGA中实现波形输出原理图如图2所示。 1．3控制器方案选择 C8051F020是集模拟和数字信号为一体的混合信号系统级高速单片机，他采用贴片封装，体积小、运算速度快。具有与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51内核，具有所有8052外设器件，采用流水线指令结构，除此之外，C8051F020单片机具有丰富的I／O，具有高达20个中断源，而且具有丰富的外设：UART、SPI、ADC、定时器等。该单片机具有高达128k的FLASH和8k+256的RAM，无需外部扩展便可实现高速度运算和掉电存储，并具有JTAG接口，便于在线调试，非常适合于各种工业控制和仪表的使用。 1．4信号调理模块 增益可调的AD603的放大倍数可以通过单片机调节，由微控制器来判断当前信号幅度的大小，经过一定的运算处理后给出一一对应的数字量控制信号，然后经过DA转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益，可以输出电压的连续变化。NE5532可实现固定放大倍数放大H’51。AD603通过软件控制输出，使之输出电压连续变化通过调节反馈电位器可实现输出幅度不小于5V，信号调理电路如图3所示。 1．5时间模块 利用DSl2887作为时钟显示模块。DSl2887自带晶体振荡器和电池，连接方便。通过修改其内部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887内部自带114字节通用RAM，因此可以通过它实现掉电存储功能。 3程序设计 3．1软件实现方法 本测量系统软件部分有以下几个模块：键盘控制模块、显示模块、计算及量程控制模块、数据存储模块、时钟模块、频率控制模块、打印与语音播报控制模块。软件控制由C8051F020单片机实现。单片机完成对FPGA、AD603、NE5532的控制和人机交互。波形数据和频率控制字K由串口写入FPGA，增益控制由单片机的DA接口输出到AD603的控制端，电压输出控制由单片机输出控制数字电位器来控制NE5532的输出。 3．2单片机软件设计流程图 单片机担任着整个系统的控制任务，不仅要控制FPGA产生固定频率的波形，还要控制AD603的增益，对于电压放大模块中，要对数字电位器进行控制，反馈中的结果还要输入到FPGA中进行处理。单片机软件流程如图4所示。 4系统测试 硬件系统测试：焊接硬件电路后，分模块进行测试，每个模块焊接完成后，测试通断，判断电路是否存在短路、虚焊，硬件部分全部焊接完毕后，采用自制电源给硬件电路供电，通过测量AD637输出，计算出待测元件的参数，对比LCR数字电桥测量值进行硬件电路的优化。 软件系统测试：采用自下而上调试的方法，先对每个编程模块进行测试，最后组合每个模块的功能进行软件部分整体测试。 整体功能测试：通过加被测元件，通过按键实现被测元件信息的输入，对比液晶显示和LCR数字电桥WY2812A测量值观察效果。并检查语音功能与液晶显示的一致性。结果见表1～表3。 5 结束语 笔者设计并实现了一种基于FPGA与单片机的电参数测量系统，给出了主要硬件功能电路和控制软件的设计过程，制作了实验样机并对实验样机进行了测试。系统产生最高频率可达lMHz，且步进可以设定为l Hz和10 Hz的正弦波。实验结果表明该测量系统具有价格低廉、效率高、适应性强、可靠性好等优点，可以用作实验室中低成本电参数测量系统。

单片机应用技术测试 试卷及答案

一、填空题(每空1分，共15分)

1、二进制数（10100101）2＝___A5____H =___165____D。

2、LED显示器中的发光二极管的两种连接方法是___共阴_____和_共阳_________。

3、一般的计算机系统都是由地址总线__、_数据总线____、_控制总线三总线结构组成。

4、89C51片内RAM有_256_____字节，其中包含___128___字节用户数据存储单元和__128____字节的特殊功能寄存器单元，片内ROM有__4k____字节。

5、AT89C51有____4_______个并行I/O口,其中P0~P3是准双向口，所以由输出转输入时必须先写入______1______。

6、AT89C51有___4_组工作寄存器，它们的地址范围是_00H-1FH__________。

得分

评卷人

二、选择题(每题2分，共30分)

1、在MCS—51指令中，下列指令中 C 是无条件转移指令。

A．LCALL addr16 B．DJNZ direct,rel C．SJMP rel D．ACALL addr11

2、16．寻址方式就是 D 的方式。

A．查找指令操作码 B．查找指令

C．查找指令操作数 D．查找指令操作码和操作数

3、下列指令判断若P1口最低位为高电平就转LP，否则就执行下一句的是 B 。

A．JNB P1.0，LP B．JB P1.0，LP C．JC P1.0，LP D．JNZ P1.0，LP

4、下列指令能能使累加器A的最高位置1的是 D 。

A．ANL A，#7FH B．ANL A，#80H C．ORL A，#7FH D．ORL A，#80H

5、下列指令能能使P1口的最低位置1的是 B 。

A．ANL P1，#80H B．ORL P1，#01H C．ORL P1，#0FFH D．ORL P1，#80H

6、MCS—51汇编语言指令格式中，唯一不可缺少的部分是 B 。

A．标号 B．操作码 C．操作数 D．注释

7、MCS—51指令包括操作码和操作数，其中操作数是指 D 。

A．参与操作的立即数 B．寄存器 C．操作数 D．操作数或操作数地址

8、设累加器A中为无符号数,B中数为2,下列指令 D 的作用与其它几条不同。

A ADD A,0E0H B MUL AB C RL A D RLC A

9、欲将P1口的高4位保留不变，低4位置1，可用指令 B 。

A ANL P1，#0F0H B ORL P1，#0FH

C XRL P1，#0FH D 以上三句都对

10、8051单片机的位寻址区位于内部RAM的 D 单元。

A 00H～7FH B 20H～7FH

C 00H～1FH D 20H～2FH

11、8051的程序计数器PC为16位计数器，其寻址范围是 D 。

A 8K B 16K C 32K D 64K

12、在单片机算术运算过程中，指令DA A常用于 C 运算。

A．二进制 B．加法 C．BCD码加法 D．十六进制

13、LJMP跳转空间最大可达到 D 。

A 2KB B 256B C 128B D 64KB

14、单片机能直接运行的程序叫 C 。

A 源程序 B 汇编程序 C目标程序 D编译程序

15、将内部数据存储单元的内容传送到累加器A中的指令是 C 。

A MOVX A，@R0 B MOV A, #data C MOV A，@R0 D MOVX A, @DPTR

三、分析下面程序并填空（每空1分，共20分）

1．若(10H)=0FFH,(11H)=00H,(12H)=0FFH,(13H)=00H,写出每一步指令运行结果

MOV A,10H (A)=_____ 0FF _____________，ANL A,#01H (A)=_______01H___________，MOV A,11H (A)=_______00H___________，ORL A,#01H (A)=__________01H________，MOV A,12H (A)=_____________0FFH_____，XRL A,#01H (A)=___________FEH_______，MOV A,13H (A)=______ 0FF ___________，XRL A,#0AH (A)=________0AH__________，(10H)=__ 0FF _____，(11H)=____ 00H_____，(12H)=_0FFH________，(13H)=_00H_________

2、程序填空

MOV 30H,#60HMOV R0,#60HMOV A,30HMOV B,AMOV @R0,B(A)=_____ 60H _____，(R0)=_ 60H ___________，(B)=_ 60H ___________

3．改正下列指令

MOV A,DPTR MOVX A,@DPTRMOV DPTR,10H MOV DPTR,#0010HMOV @R7,#40H MOV @R1,#40HMOVX 40H,#30H MOV 40H,#30HADD 20H,#10H ADD A,#10H

四、寻址方式（每题3分，共15分）

（说明8051单片机的下列各条指令中源操作数的寻址方式）

1．ANL A,20H 直接寻址2．ADDC A,#20H立即寻址3．JZ rel 相对寻址 4．MOV 00H,C 位寻址5．MOV A,R0寄存器寻址

。

五、综合题（共20分）

1、编程将片内RAM30H单元开始的10个的数据传送到片外RAM3000H开始的单元中去。（10分）

MOV R0,#30H

MOV DPTR,#3000H

MOV R7,#10

LOOP: MOV A,@R0

MOVX @DPTR,A

INC R0

INC DPTR

DJNZ R7,LOOP

2、片内RAM40H开始的单元内有10个二进制数，编程找出其中最大值并存于50H单元中。（10分）

START: MOV R0,#40H ;数据块首地址送R0

MOV R7, _#9__ ;比较次数送R7

MOV A,@R0 ;取数送A

LOOP: INC R0

MOV 30H___,@R0 ;取数送30H

CJNE A,30H,NEXT ;（A）与（30H）相比

NEXT: _JNC NEXT1__ ;(A)≥(30H)转NEXT1

MOV A,30H___ ;(A)＜(30H),大数送A

NEXT1: DJNZ R7,LOOP ;比较次数减1，不为0，继续比较

_MOV 50H,A__ ;比较结束，大数送50H

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