基于DSP的低频数字式相位测量仪的设计

摘要： 本文提出了一种基于TMS320VC5402的低频数字式相位测量仪的设计方法。
关键词： DSP；低频；数字式；相位测量；SCM

引言

    随着科学技术的突飞猛进的发展，电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域中，而电子测量技术又是电子技术中进行信息检测的重要手段，在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具有重要意义。近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。本低频数字式相位测量仪由TMS320VC5402、AT89S52和小规模集成电路构成。由于TMS320VC5402和AT89S52芯片的集成度高、 智能程度高、功能强大，使得它实现起来比较简单，而且，具有体积小、性价比高、性能稳定的特点。
    
系统硬件

    此低频数字式相位测量仪的目的是将输入的信号先进行信号整形，然后送给移相网络，再送给TMS320VC5402处理，最后将结果送给AT89S52，并由AT89S52控制LCD显示测量结果。系统框图如图1所示。

图1  低频数字式相位测量仪系统框图

    该系统以TMS320VC5402为核心，对待测量信号进行采集和处理，包括整形和移相电路，把采集来的模拟信号转换为数字信号。其中SRAM和Flash分别为TMS320VC5402的 数据存储器和程序存储器。键盘和显示部分则由AT89S52来控制，AT89S52把键盘操作转换为控制信号再传送给TMS320VC5402，控制系统是进行相位测量还是周期、频率、脉宽、占空比测量，TMS320VC5402把要显示的系统状态送给AT89S52，以实现LCD显示。这些硬件工作过程如图2所示。

图2  硬件系统的工作流程

整形电路

    相位仪输入整形电路的原理是两路正弦输入信号经过LM324比较器整形，产生两路方波信号。经4013D触发器进行二分频(用于判断相位差为180o时能正常产生鉴相脉冲)，送到4076异或门进行鉴相，鉴相脉冲送单片机实现相位差测量。整形电路如图3所示。

移相电路

    移相电路通过一个超前移相和一个滞后移相网络构成，通过两个电压跟随器后产生移相信号。通过改变移相电路(图4)所示电压跟随器输出的电位器，可实现相位差连续相移范围-45o~ +45o。因此，当输入信号频率变化时，通过改变电位器RW可实现-45o~+45o连续移相。

TMS320VC5402与AT89S52的通信

    AT89S52和TMS320VC5402各自独立工作，其信息和数据交换通过共享一片外部存储器来实现，它们之间信号联络通过硬连接和软件判断来实现。

    外部存储器采用的是CY7C133，它是高速的2K×16bit的静态异步双端口RAM，其存储速度为25ns。它有两套独立的地址线、数据线和控制信号线，允许两个控制器件中的数据通过共同连接的存储器来进行通信。该双端口RAM允许两个控制器同时读取任何存储单元(包括同时读同一单元)，但不允许同时写或者一读一写统一地址单元。

    对于TMS320VC5402，数据存储器CY7C133的对应地址为4000H~47FFH。

    对于AT89S52，数据存储器CY7C133的对应地址为2000H~27FFH。

    TMS320VC5402与AT89S52的硬件接口电路如图5所示。

系统软件

    本系统中主要应用TMS320VC5402实现测量脉宽、周期、相位、占空比和频率并将测量结果送给AT89S52控制LCD显示。单片机控制系统采用6个按键，分别是A、f、q、Ф、T、Tw,其功能是复位、测频率、测占空比、测相位差、测周期、测脉宽，在按下复位键后系统自动复位，然后根据要求选择所需按键进行测量。总程序流程图如图6所示。

相位测量

    输入两路同频率的正弦波信号，其波形表达式分别为：

    其中n1、n2为电压瞬时值，Vm1、Vm2为电压的幅值，w为角频率，w1、w2为初始相角。

    当两路信号的频率相同时，相角差q=w1-w2是一个与时间无关的常数，将此两路正弦波信号经过放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行计数得Nc、Nb，则其相位差为。

周期、频率、脉宽和占空比测量

    从某个上升沿开始计时，到下一个到来时结束计时，即为一个周期；对周期取倒数即为频率；从某个上升沿开始计时，到紧接着的一个下降沿结束计时(高电平的持续时间)即为脉宽；脉宽与周期之比即为占空比。

结语

    实验证明，本系统能够精确地测量出输入信号的相位、周期、频率、脉宽和占空比，且具有体积小、操作灵活、性能稳定和性价比高的特点。
　　
参考文献：
1.  TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader Datasheet. 2000
2.  TMS320VC5402 Fixed-Point Digital Signal Processor Datasheet. 2000
3.  穆兰, 单片微型计算机原理及接口技术, 机械工业出版社，2000
4.  朱茂镒, 低频数字式相位测试仪, 电子世界．2004.3