基于FPGA与单片机控制技术结合的低频数字相位测量仪设计Word文档格式.docx
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基于FPGA与单片机控制技术结合的低频数字相位测量仪设计Word文档格式.docx
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1)本设计本分为三大基本组成部分:
数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路。
其功能为对两路输入正弦信号(1~5V范围内变化)进行频率和相位测量(相位测量绝对误差≤2)及数字显示(相位读数为0~359.9,分辨力为0.1)
,其频率测量范围:
20Hz~20kHz。
2)通过该项目设计,完成各单元模块的硬件设计,给出其设计过程和电路图;
对数据采集、单片机控制模块分别给出VHDL硬件描述语言实现的源程序和控制程序,并进行程序调试及电路的仿真、给出仿真结果。
二、进度安排及完成时间:
低频数字式相位测量仪的设计
摘要:
基于过零检测法原理,以单片机89C51和可编程逻辑器件CPLD为核心,从数据采集﹑数据运算控制、显示等电路功能电路设计,实现了一个低频数字式相位测量仪系统。
在此过程中,采用MCU与FPGA相结合的方案,将软件部分为数据采集、运算、控制和单片机控制显示两部分,充分发挥单片机具有的控制、运算能力强,FPGA数据采集速度快的特点来对实现各个模块功能进行程序设计,同时还对相关程序进行调试和仿真,验证了其可行性,使其性能接近最优。
而对硬件电路设计包括采用施密特触发器组成的整形电路、显示电路、FPGA芯片及单片机外围电路等,实现了对频率信号频率、相位差的显示,同时配合系统完成数据采集、运算、控制等功能。
在上述基础上,本文还对有关频率信号的频率、相位测量技术及理论进行了研究和分析,对FPGA可编程芯片、单片机控制等的运用进行了学习,从而为课题研究奠定了理论基础。
关键字:
数据采集;
单片机;
FPGA;
频率;
相位差;
DesignofLow-frequencyDigitalPhaseMeasuringApparatus
Abstract:
Thisdesignusestheprincipleofzero-crossing,takesthe89C51andCPLDasthecore,basedondataacquisitioncircuit,dataoperationalcontrolcircuitanddisplaycircuit,achievesalow-frequencydigitalphasemeasuringapparatus,andgetsthewaveformsimulation.ThisdesignwhichusesthecombinationofTheMCUandFPGAwillbedividedthehardwareintotwopartsofdataacquisitionprocessingandMCUminimumsystem,itgivefullusetothefeaturesofMCU-controlledcomputingforpower,theFPGAdataacquisitionforhignspeedandresource-rich.weusetheFPGAtocompletecollectionofthedata,sowecanaccuratelycollectthephrasedifferencebetweenthetwo-phasesinusoidalsignal,correspondingtothetimedifferenceandthecycleofsignal,soastogreatlyimprovethereliabilityofthesystem,thenaccordingtocharacteristicaoftheshrapnel-strongoperationandtheabilitytocontrol,weusetheminimumsystemofMCUtocompletethereadingofdataFPGA,thenaccordingtothedatareadcalculatethefrequencyofsignalsundertestandthephasedifferencebetweenthetwo-waysamefrequencysignal.Atthesametime,throughtheswitchingoffunctionkeys,thefrequencyandphaseofsignalsundertestwillbeshowedbymodule.
Keyword:
Data;
Acquisition;
SCM;
Frequency;
phase
第1章绪论
1.1课题研究的背景
随着现代科技的发展,相位及频率计量的意义已日益明显。
例如,在卫星发射、导弹跟踪、飞机导航、潜艇定位、大地测量、天文观测、邮电通信、广播电视、交通运输、科学研究、生产及生活等各个方面,在以上各方面中在移动通信同步系统中应用尤为广泛。
同步是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系,就是它们在相应的有效瞬间以同一平均速率出现。
在讨论信号的接受或解调时,常常离不开同步问题,特别是涉及数字信号时更是如此,在一个数字通信系统中包含多种同步问题,例如,PSK信号在相干解调时,接收端需要产生一个和接收信号同频,同相的本地载波,用以和接收的PSK信号相乘。
因此,这个本地载波的频率和相位信息必须来自接收信号,或者说需要从接收信号中提取载波同步信息。
本地载波和接收信号载波的同步问题称为载波同步。
其次,在接收数字信号的一个码元时,为了在判决时刻对码元的取值进行判决,接收机必须知道准确的判决时刻。
通常要在接收码元的结束时刻作判决,故这个判决时刻是从接收码元的起止时刻导出的,也就是说判决时刻应当和码元起止时刻同步。
又如在用相关法接收时,相乘积分电路中积分的起止时刻也必须和接收码元的起止时刻同步。
以上这类同步称为码元同步,或位同步。
在一般的通信系统中,除了上述载波同步和位同步外,还需要更高层次的同步,统称为群同步,群同步的功用是将接收的码元分组,以构成有意义的消息。
例如,为了传输文字,可以用7个二进制码元代表一个字符,只有正确划分7个接收码元为一组,才能正确识别字符。
这时的群同步又称为字同步。
又如,在传输电视信号时,可以将一幅画称为一帧;
一帧的像素是串行传送的。
为了在接收端正确划分每幅画面像素的起止点,也需要同步。
这种同步常称为帧同步,帧同步指通信双方的帧定时信号的频率相同且保持一定的相位关系。
此外,在有多个用户的通信网内,还有使网内各站点之间保持同步的网同步问题。
前面提到的几种同步主要是在接收端采取措施,配合接收端共同解决。
例如,在卫星通信网中,若有许多地球站和一个卫星接收机通信,大多数情况下地面发射机要利用卫星上的反馈信息,随时调整其发送频率和定时,以保持全网同步。
在模拟通信网中,传输系统中载波机两端机间的载波频率需要同步,即用于终端机的载波频率应相等或基本相等,并保持稳定,即称为载波同步。
载波同步的方法可以分为两大类。
第一类是在发送端的信号中插入一个专门的导频用于载波同步。
导频是一个或几个特定频率的未经调制的正弦波。
在接收端提取出导频,利用此导频的频率和相位来决定本地产生的载波频率和相位。
第二类是在接收端设法从有用信号中直接提取出载波,而不需传送专门的导频。
位同步指通信双方的定时脉冲信号频率相等且符合一定的相位关系。
位同步方法可以分为两大类。
第一类称为外同步法,它需要在信号中外加包含位定时信息的导频或数据序列;
第二类同步称为自同步法,它从信息码元序列本身中提取出位定时信息。
外同步法又称为辅助信息同步法。
它是在正常信息码元序列外附加位同步用的辅助信息,以达到提取位同步信息的目的。
常用的外同步法是在发送端信号中插入频率为码元速率或码元速率的倍数的位同步信号。
在接收端利用一个窄带滤波器,将其分离出来,并形成码元定时脉冲。
自同步有两种,即开环同步和闭环同步。
在开环同步中就是采用对输入码元做某种变换方法提取位同步信息。
在闭环同步中,则用比较本地时钟和输入信号的方法,将本地时钟锁定在输入信号上。
群同步是根据信息流中的某些“标记”有效地区分每一码组(字或句)的起点的技术。
群同步信息有两类传递方法。
一类方法是在发送端利用特殊的码元编码规则使码组本身自带分组信息。
另一类方法是在发送码元序列中插入用于群同步的若干特殊码元,称为群同步码。
群同步码的插入方法主要有两种。
一种是集中插入群同步码组,另一种是分散插入群同步序列,集中插入群同步码组时,是将特定的群同步码组插到一群码元的前面,接收端一旦检测到这个特定的群同步码组就马上知道了这群码元的“头”;
为了长时间地保持同步,则需要周期性地将这个特定码组插到每群码元之前;
分散插入群同步序列的方法是将一种特殊的周期性序列分散插入信号序列中,在每群信号码元前插入一个群同步码元即可。
网同步指网络中各个节点的时钟信号的频率相等,也就是多个节点之间的时钟同步,从而也可以在各个节点实现帧同步。
网同步的方法分为:
主从同步法、相互同步法、码速调整法、水库法;
主从同步法是指通信网中某一站(主站)设置一个高稳定的主时钟,其它各站(从站)的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位(各站时钟的频率和相位也可以同步于GPS提供的标准时钟)。
相互同步法是指网内各站设有独立时钟,它们的固有频率存在一定偏差,各站所使用的时钟频率锁定在网内各站固有频率的平均值上(此平均值将称为网频)。
码速调整有正码速调整、负码速调整、正负码速调整和正/零/负码速调整四大类。
在PDH系列中最常用的是正码速调整。
水库法中各站的时钟稳定度都很高,缓冲器容量足够大,虽然写入脉冲和读出脉冲频率不相等,但缓冲器在很长时间内不发生“取空”或“溢出”现象,无需进行码速调整。
网同步是数字通信网正常工作的必要条件,是保证数字网内各种数字交换设备和传输设备同步可靠工作的重要措施。
在主从同步法中要求各站(从站)的时钟频率和相位同步于主时钟的频率和相位,因此频率和相位的测量便尤为重要。
1.2本课题的主要研究工作
(1)相位与频率测量在移动通信同步系统的应用。
(2)最佳相位测量与频率测量方案的研究。
(3)单门限触发器与施密特触发器的原理研究。
(4)FPGA可编程控制器件的研究,其中包括FPGA器件设计开发流程、工作原理。
(5)将正弦波转换为方波的信号整形电路的设计。
(6)FPGA数据采集电路的设计。
(7)单片机数据运算控制电路的设计。
(8)运用LCD完成数据显示的电路设计。
第2章主要理论及技术
基于FPGA与单片机控制技术结合的低频数字相位测量仪设计包括对模拟信号进行数字化处理、数据运算及相关对象的控制、数据显示等输出环节,在这此处理过程中,涉及到诸多理论与技术,它们是构成本系统的理论基础。
2.1频率测量
频率测量是测量信号在每秒内变化的次数,是电子测量领域的最基本测量,目前多用电子计数器测频,它具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便、直接显示数字等特点,尤其是与微处理器相结合,实现了程控化和智能化,构成智能化计数器。
目前,电子计数器几乎取代了模拟式测量仪器。
通常频率测量有两种方法:
计数法、测周法。
(1)时间基准的产生
频率是每秒内信号变化的次数。
要准备地测量频率必须首先
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- 基于 FPGA 单片机 控制 技术 结合 低频 数字 相位 测量仪 设计