基于ARM7芯片的智能多用表設(shè)計綜述

1、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及其開發(fā)課程設(shè)計 基于 ARMLPC2138 的智能多用表的設(shè)計 院 系：電子與信息工程學院 班 級：電信 10-2 班 學 號： 姓 名： 指導老師： 日期： 2013-12-27 基于 ARMLPC213的8 智能多用表的設(shè)計計 一、引言 多用表又稱為復(fù)用表三用表繁用表等， 是電力電子等部門不可缺少的測量儀表。 一般以 測量電壓電流和電阻為主要目的。 多用表按顯示方式分為指針多用表和數(shù)字多用表。 一般多 用表可測量直流電流、 直流電壓、 交流電流、 交流電壓電阻和音頻電平等有的還可以測交流 電流電容量電感量及半導體的一些參數(shù)如 等。 在電子測量和檢測領(lǐng)域中，由于多用表具有用途

2、多，量程廣， 使用方便等優(yōu)點，多用表 ARM7 芯片的智能多用表。設(shè)計的多用表除 還添加了示波、 頻率計功能。 以此方便使用者， 當設(shè)備檢測到電信號后自動計算并反饋測量結(jié) 已成為電子測量中最常用的一種工具。 本次設(shè)計是在傳統(tǒng)多用表的基礎(chǔ)上，基于 了提供電壓測量、 電流測量、 電阻測量之外， 提高設(shè)備利用率，提高工作效率。 1. 電壓測量 用戶可手動將待測電壓源連接輸入端口， 果。 2. 電流測量 依據(jù)需要， 當使用者需要測量電流源的電流時或檢測元件連通性時，可以自動計算出電 流大小并反饋給用戶。 3. 電阻測量 當用戶需要測量元件的電阻值時，只需將元件接入測試電路即可獲得該元件的電阻值。 4.

3、 頻率測量（頻率計） 測量信號的頻率， 必須先對信號整形成為標準的方波。 一般地， 測量頻率或周期的方法 有測頻法和測周法兩種， 對于整形后頻率較高的信號， 可以采用標準周期的時鐘信號作為門 限，利用定時器對外部信號進行計數(shù)的方式， 來確定被測信號的頻率。 如果是頻率較小、周 期較大的信號， 采用上述方式顯然誤差是較大的， 此時就可以以整形后信號作為門限， 讓定 時器對標準頻率的時鐘信號計數(shù)達到測量頻率的目的。 5. 波形顯示（示波器） 基于采樣原理，采用高速模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC ）實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，將模擬信號數(shù)字化， 然后借助處理器強大、 高速的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法， 將

4、波形以圖形的方 式直觀地顯示出來，并能夠得到被測信號豐富的各種參數(shù)。 二、方案論證 1、現(xiàn)代多用表的原理與特點 多用表中測量電壓、 電流和電阻部分是基于電壓的 AD 采樣技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集， 然 后經(jīng)過一些算法對原始信號進行采集最后在顯示屏上顯示出所測量信號的結(jié)果。 對于溫度等 其他功能是應(yīng)用相應(yīng)的傳感器來檢測出對應(yīng)的物理量并把測量結(jié)果顯示出來 2、數(shù)字存儲示波器的原理與特點 數(shù)字存儲示波器（ DSO ，Digital Storage Oscilloscope ）采用各種先進的測量技術(shù)來滿足 各種應(yīng)用。它基于用采樣原理，采用高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC ）實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，將模擬 信號數(shù)字化，

5、 然后借助處理器強大、 高速的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法， 將波 形以圖形的方式直觀地顯示出來，并能夠得到被測信號豐富的各種參數(shù)。 3、ARM7 的發(fā)展及優(yōu)點 當前有 5 個產(chǎn)品系列 ARM7 、ARM9 、ARM9E 、ARM10 和 SecurCore。其中 ARM7 系列，優(yōu)化用于對價位和功耗敏感的消費應(yīng)用的低功耗， 豐富的外圍設(shè)計等諸多優(yōu)點成為對 很多開發(fā)者首選的硬件平臺。 三、需求分析 在現(xiàn)代科技領(lǐng)域當中， 電子測量手段一直是電子技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的重要課題。 在電子測 量和檢測領(lǐng)域中，由于多用表具有用途多，量程廣，使用方便等優(yōu)點， 多用表已成為電子測 量中常用的一種工具。而示

6、波器作為一種用來測試、顯示被信號的波形和能夠記錄、存儲、 處理待研究變化過程波形參數(shù)的電子測量儀器，也是被頻繁使用的設(shè)備之一。 但是由于傳統(tǒng)的多用表是只能測量電壓、 電流和電阻， 功能比較單一， 并且多用表和示 波器獨立開來， 實際使用中存在不便。 因此設(shè)計者希望有一款儀器既能夠提供多用表的測量 功能又能夠提供示波器的波形分析功能，以此方便使用，提高效率。 基于以上需求， 本次設(shè)計的智能多用表是集示波器、 頻率計、 萬用表功能于一體的新型 多用表。 硬件需求分析 設(shè)計的多用表作為一個高性能的測量儀器， 不僅要滿足使用者方便快捷， 準確可靠的要 求還要求系統(tǒng)要具備處理大量數(shù)據(jù)的能力， 尤其是要作

7、一些相應(yīng)的數(shù)字信號處理， 更是要求 處理器應(yīng)具備強大的運算能力， 并且接口要足夠豐富以滿足外圍設(shè)備的需要， 并且要在性能 和功率上有所平衡。 綜合以上需求， 最終我們選用發(fā)展成熟， 具有較高的數(shù)據(jù)處理能力的 ARM 嵌入式系統(tǒng) 作為本設(shè)計的核心。并且 ARM-LPC2138 ，有以下特點： 采用 64腳封裝（可使用的 GPIO 在單片應(yīng)用時高達 47個，完全能夠滿足各種應(yīng)用） 。 片內(nèi)外設(shè)豐富，大大的簡化了我們的系統(tǒng)設(shè)計。 外部總線是開放的，能方便地擴展外部存儲器。 通過外部總線控制器（ EMC ）也可以方便、高速地控制 LCD 控制器。 較小的封裝和極低的功耗。 由于 LPC2138 的諸多

8、優(yōu)點完全滿足我們的需要， 所以最終選擇使用 LPC2138 作為本設(shè) 計的核心。 顯示需求分析 使用者對于設(shè)計的智能多用表要求能夠直觀、 快捷獲取測量圖形或者數(shù)值， 并且由于選 擇用的 LPC2138 有很好的外部總線設(shè)計，可以方便的控制 LCD 顯示。 為了滿足使用者的顯示需求且與我們選定的硬件平臺匹配， 本設(shè)計的智能多用表采用的 顯示屏是 256*128 大小的液晶屏，采用 5V 電源供電。 為了方便用戶使用， LCD 顯示主要有波形顯示、頻率、峰峰值，還有所測量電流和電 阻大小數(shù)值等六部分組成。波形顯示區(qū)域共有 120*32 個點，其中 X 軸 120 個點， Y 軸 32 個點。頻率、

9、幅值、電流大小和電阻大小以漢字形式顯示出來。 測量需求分析 作為一款電子測量中常用的測量儀器， 使用者通常需要智能萬用表能有較大的量程， 快 速的測量響應(yīng)，準確的波形顯示。這些需求本質(zhì)上是對設(shè)計的智能萬用表的數(shù)據(jù)采集/處理 能力有較高要求。 基于這個需求， 我們把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為設(shè)計多用表的核心部分， 通過模擬電路采集模 擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量存入緩存 器，由 ARM 讀回進行計算處理，最后送去顯示。 依據(jù)以上需求設(shè)計流程如圖 1。 圖1 四、總體設(shè)計 本設(shè)計采用 ARM 核心的 LPC2138 處理器作為本智能多用表的嵌入式系統(tǒng)微處理器， 其系

10、統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 2。 圖 2 智能多用表整體結(jié)構(gòu) 本次所設(shè)計的智能多用表含有多用表和數(shù)字存儲示波器的功能， 數(shù)字存儲示波器共有 一個通道 CH。圖 2 是本智能多用表的整體結(jié)構(gòu)框圖，從該框圖可以看出，除微控制器外， 智能多用表主要由模擬通道、數(shù)據(jù)緩沖、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、 存儲器擴展和人機交互接口組成。輸入 的模擬信號經(jīng)過模擬通道的處理后經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由微控制器處理。 各個部分都有相應(yīng)的功能模塊電路構(gòu)成，詳細功能框圖如圖 3. 圖 3 智能多用表詳細功能框圖 如圖 3 所示為智能多用表的測量基本原理框圖。 本圖中主要由按鍵開關(guān)電路、 各種轉(zhuǎn)換 電路、頻率測量電路、衰減 /放大電路、

11、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和液晶顯示電路組成，其中衰減/放 大電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是本系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)由 LPC2138 來實現(xiàn)對各個功能單元的操 作與控制，輸入的被測信號先是經(jīng)過衰減/放大電路，然后再通過按鍵開關(guān)分三路分別送入 AD 采樣單元，由微控制器發(fā)送相應(yīng)的控制字來控制各個參數(shù)的測量，并在測量完后進行數(shù) 據(jù)處理和在液晶顯示屏上顯示。 五、詳細設(shè)計 電源電路設(shè)計 電源是整個系統(tǒng)的能源提供者， 電源性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的成敗。 由于本系 統(tǒng)不但含有數(shù)字電路，還含有模擬電路，尤其是含有對噪聲極為敏感的 A/D 轉(zhuǎn)換器件，所 以模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)該單獨供電，這樣才能降低噪聲和出錯幾率 模擬電源

12、和數(shù)字電源的的前端都是通過變壓器經(jīng)橋式整流后提供的，此部分電路如圖 4. 圖4 變壓器橋式整流電路 通過變壓器經(jīng)橋式整流后的電壓源與 ARM 芯片相連，如圖 5. 圖5 電源電路原理圖 輸入電路 經(jīng)過模擬電路采集到的模擬信號， 即測量的電壓 / 電流/ 電阻值進過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號，再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量通過ARM芯片的通信端口送入進行處理，其原理如圖6. 圖 6 輸入電路 注：其中電壓量程為 -400400V ，精度 0.01V。電流量程為 -5A5A ，精度為 0.01A 。電阻量 程為 020K ，精度為 1。示波器帶寬 10MHz，本設(shè)計所采用的 ADC最高的采樣速率為 500KS

13、PS， 要避免頻率混迭，則輸入信號的頻率不能超過250KHz。 輸出電路 測量的數(shù)據(jù)進過模數(shù)轉(zhuǎn)換， 經(jīng)由 ARM 處理后從 LPC2138 顯示控制器端口輸出送到 LCD 顯示，其中 LCD 由電壓源供電，額定電壓 5V ，大小為 256x128 像素。電路如圖 7。 圖 7 輸出電路 注： LCD 顯示主要有波形顯示、頻率、峰峰值，還有所測量電流和電阻大小數(shù)值等六 部分組成。波形顯示區(qū)域共有 120*32 個點，其中 X 軸 120 個點， Y 軸 32 個點。頻率、幅 值、電流大小和電阻大小以漢字形式顯示出來。 電阻電流測量電路 這兩個功能模塊是傳統(tǒng)多用表的部分功能的實現(xiàn)， 這個部分的電路

14、我們自己設(shè)計了一個 非常簡單的電路，如下圖 8,9 所示： Rf +5 300K 圖 8 電阻測量電路 復(fù)位電路 Ii +5 U1B R9 LM324 0.09K 11 -5 圖 9 電流測量電路 LPC2138 復(fù)位端口為低電平有效，本電路設(shè)計如圖 10 所示。 Vi 圖 10 復(fù)位電路 注：當開關(guān) S 閉合時， ARM 復(fù)位端口輸入低電平完成復(fù)位功能。 存儲電路 使用 LPC2138 內(nèi)部存儲空間存儲數(shù)據(jù)，最終送到 LCD 顯示。內(nèi)部存儲如圖 11. 圖 11 存儲電路 六、總結(jié) 經(jīng)過兩個多星期的努力， 我終于設(shè)計出了一個智能多用表。 開始構(gòu)思到查閱相關(guān)的資料， 我們都在不斷的通過理論與實踐， 最后終于把一個智能多用表設(shè)計出來。 由于關(guān)于智能多用 表的需要考慮的問題很多， 因此設(shè)計一直很緩慢， 但是通過孫曉杰老師的認真指導， 和同學 之間相互交流， 最終設(shè)計出了智能多用表， 而且在這段時間也讓我學習到了因如何去了解一 種新的領(lǐng)域的方法。 本設(shè)計主要介紹了本設(shè)計的功能特點、 需求分析、 總體設(shè)計、詳細設(shè)計，并且都做了 簡單的介紹。在本系統(tǒng)設(shè)計中涉及了很多的算法， 也需要編寫大量的程序， 限于能力， 所以 對其介紹沒有大量的代碼設(shè)計。 在整個研究開發(fā)過程中， 我始終保持著認真、細心的態(tài)度， 將理論聯(lián)系實踐，并用實 踐來證明我的構(gòu)思， 不斷提高自己的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟