基于凌阳16位单片机的工频表

摘要：工频表采用具有集成度高、数字处理速度快、功能强、低功耗等优点的凌阳16位单片机以数字形式对电压有效值、电流有效值、相位角进行显示。设计分为三个模块：数据采集、数据处理和显示模块。数据信号采集用CMOS系列产品CC4051和运算放大器LM348，对大、小信号分别进行放大处理，采用74LS00和LM324产生相位角；数据处理以凌阳单片机SPCE061为核心，对采集信号进行精确控制和严格计算；显示部分由CC4056驱动和74LS138移位选择与数码管构成。
关键词：数据采集；数据处理；显示模块

1 系统的设计
    凌阳16位单片机集成度高、体积小、可靠性好，内部含有10位A／D转换器，简化了电路，16位的性能有较高的数字信号处理速度，提高了精度。凌阳16位单片机是基于SOC的新型的数／模混合的系统级芯片。在一个芯片内集成了单片机数据采集或控制系统所需的模拟和数字外设及其它功能部件。另外，凌阳单片机还增加了适合于DSP的某些特殊指令；有些系列的单片机还嵌入了LCD控制／驱动和双音多频发生器功能。这些都进一步扩大了单片机的应用范围。

2 峰-峰值保持数据采集电路
2．1 电流、电压信号的放大电路
    考虑到要满足对大小信号的处理，采用CC4051来选择，对电压、电流信号的放大，通过单片机对CC4051进行控制，使放大倍数可以为1／2、X10两种不同的值。如图2所示。这样能满足对大小不同信号的放大要求，硬件电路简单，容易实现。

2．2 数据保持部分
    对电压、电流信号进行同时测量，可用由集成运算放大器LM348组成的峰-峰值信号保持电路(如图3所示)，被测信号从IN脚输入，OUT脚是对电压、电流进行峰值保持功能，用凌阳单片机的一个I／O接口就可以对保持器进行控制。进行测量时，用单片机同时锁定被测电压和电流信号的峰-峰值信号后，即可以分别测量电压和电流量，且不需要考虑时差问题。采用这种方案可减小系统带来的误差。

3 单片机系统相位角处理模块
    相位角测量方法为先对电流信号和电压信号分别测量。测量时，单片机先对电压信号进行转换，而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。电压与电流相位差φ及功率因数cosφ的测量。电路得到的各点波形如图4所示。其中Uv为正弦交流电压，Ui为同一相正弦电流变换而成的电压波。

    由于同一相内Uv和Ui之间有超前滞后两种情况，且相位差均小于90°时，相功率P=0属极少情况，故图4分析了Ui滞后Uv的情况，对于Ui超前Uv，分析结论亦相同。由波形图可见，U-I的相位差φ所允许时间Tφ=10ms-T。
    因此只要测出T的时间，求出Tφ，再按上式计算出φ，cosφ亦可随之求出。SPCE061A内部的十六位定时器在49．152MHz的晶振时每1μs加1，故可以用来测定T的时间。若定时器1LSB角度φ’，则φ’／0．02=180°／10ms，即φ’=1．44°。所以只要求出Tφ=1388H-T(T定时器读出的计数值)，再乘以1．44°即为φ的实际相位角。

4 电路调试方法和过程
    采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试效率。
4．1 数据采集、放大模块调试
    利用P3．4和P3．5控制模拟开关CC4051，使输入信号与函数信号发生器输出相联，通过改变P3．4和P3．5管脚的电平来改变放大倍数，用万用表测试输入输出电压，再调节函数信号发生器的输出，用万用表测试输入输出电压是否正确；数据保持器则用单片机P1．4来控制，并用示波器观察波形。调试结果显示，模块可以正常工作。
4．2 数据信号频率相位角模块调试
    将函数信号发生器的输出与相位角处理模块输入相联接，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察该模块的输出波形，并与单片机P3．3口相连接。经过检验，相位角模块电路能正常工作。
4．3 A／D转换模块调试
    由于凌阳单片机SPCE061内部有2个10位的A／D转换器，因此不用接外部A／D转换电路，只需要编写程序对其进行简单测试即可正常工作。
    当每个独立模块能正常工作了，再把各模块线路连接好进行系统程序调试，被测的两路输入信号电压、电流波型可先采用函数信号发生器进行模拟，接上凌阳单片机SPCE061仿真器进行调试程序，对数据采集、放大模块的各输入、输出信号进行测量计算，对数据信号频率相位角模块的相位角进行计算，当系统程序调试成功后，再把程序下载到凌阳单片机SPCE061中进行整机调试。最后把调试结果显示出来，整个系统能正常工作。

5 误差分析及改善措施
    (1)采用SPCE061A的10位A／D转换器测量零电压时，显示在0．0048828125～0．009765625v之间跳动，原因是SPCE061A的10位A／D转换时，有1～2个步长的误差，即4．8828125～9．765625mV之间。由于误差恒定，采用软件对误差进行补偿。
    (2)由于电路信号处理部分的元器件以及模拟开关CC4051上有一定的压降(约20mV)，虽经软件、硬件修正，在小幅值的情况下仍会有一定误差。
    (3)整个系统板由手工焊接完成，布线无法避免线路之间以及外界的电磁干扰，从而会导致一定的误差。
    (4)功率的测量由电压、电流的测量值间接得到，由于误差的累计效应也会使有用功率、无用功率测量值与理论值存在差异。

6 结束语
    数字式工频有效值多用表以数字方式对电压有效值、电流有效值、功率角进行显示，功率的测量由间接得到。本系统以SPCE061为核心部件，利用软件编程，实现对交流电压值、交流电流值、功率角的测量。尽量做到线路简单，减小电磁干扰，充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足。
    数字式工频有效值多用表以数字的方式对电压有效值、电流有效值、功率角进行显示，从而可以得到有功功率、无功功率和功率因数，方便实用。在设计中采用凌阳单片机具有速度快、价格低、可靠性高、体积小、实用、功耗低等特点。