基于MCU+CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现

1 引言 相位检测是电力系统自动控制和谐波分析与控制的关键技术。传统的相位测量是利用过零电路把输入的两路信号(电压或电流)转换为方波信号，再利用逻辑电路和单片机技术对信号某一特殊区段计数和数学变换，求得相位差。随着可编程器件(FPGA，CPLD)的快速发展，目前采用以MCU+FPGA／CPLD为核心的设计理念。这种混合设汁方案利用CPLD在线修改的特点，实现各种复杂数字逻辑设计，结合单片机的控制功能。简化数字电路系统设计，大大缩短系统研制开发周期。本文采用MCU+CPLD设计方法，测量两路信号的相对宽度，充分利用CPLD速度快，单片机控制和数据处理能力强的优势，完成频率和相位差的测量和显示，大大简化了硬件电路，并提高了测量精度和抗干扰能力。 2频率和相位测量原理 频率测量可先测周期T，然后根据公式f=1／T算出频率，这种方法为间接测量。根据测频的误差分析，在f较低场合，f越低T越大。计数器得数N也越大，±1误差对测量结果的影响减小。具体实现方法是被测信号(正弦)经整形电路后成为方波，用于控制主门的通断，在此期间(一个周期T)外部时标信号TS通过主门，用计数器累计时标脉冲个数。被测信号周期T=NTS，其中TS为时标脉冲周期，N为被测信号一个周期之内累计时的标脉冲个数。相位差△φ对应的时间=N1TS，则△φ=(△T／T)×360°。图1给出f、△φ测量系统框图。 两个频率相同而相位不同的正弦信号u1=Asinwt和u2=Asinw (t+△T)分别送人比较器整形后得到两个方波信号X1、X2。其中X2送入双D触发器的1CLK端，得到图2中的QB波形；同理，利用X1可得到QA波形。最后将QB和QA送人与门74LS11，QB×QA相与得到时间差脉冲△T，△T与相位差对应(△φ=w△T)。 3硬件电路设计 MCU与CPLD控制模块连接如图3所示，MCU采用8位单片机AT89C51，CPLD选用Altera公司MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15，该器件一共有84个引脚，68个I／O端口，采用EEPROM技术，内含2500个逻辑门，128个宏单元。图3中CPLD模块的×1、×2为整形后的被测信号输入端，inclk为外部时标信号输入端，t0、t1端分别与单片机的定时／计数器T0，T1相连，采用单片机内部16位定时／计数器，加上CPLD模块内的8位计数器，可使计数器位数达到24位，以此提高分辨率。P25与读信号RD、P26与RD分别控制两个锁存器74373的数据读取，此外P24、P15、P16分别控制相位和周期的测量。P27与写信号WR控制写显示器，P10、P11、P12、P13、P14用于键盘和显示的控制。单片机P0端口用于从CPLD读取8位计数器数据，另外还用于向显示器写显示数据。 4软件设计 4.1 CPLD控制模块设计 CPLD控制模块的底层没计如图4所示，CPLD控制程序中的变量P2.4、p1.5、×1、×2、p2_6、rd、p2_7、wr的数据类型为IN STD_LOGIC；变量p1_6、t0、t1、o1、pout的数据类型为OUT STD_LOGIC；中间变量有f2、f1、j1、j2、q1，q2，其中f2、f1分别与图2中的波形QA、QB表示的端口一致；j1、j2的数据类型std_logic_vector，分别代表图4中两个8位计数器74393的输出；q1，q2分别表示与门7403、7411的输出。根据频率、相位测量原理，测量部分将由CPLD完成，测量结果经单片机运算后存LED上显示。由CPLD完成的相位测量部分程序以下给出相关程序代码。   4.2 MCU程序设计 系统控制软件采用C语言和汇编语言混合编写，采用模块化设计，各个功能子模块独立。整个软件分为主程序、频率测量子程序、相位差测量子程序。图5为相位差测量子程序流程图。   5 CPLD仿真 系统CPLD仿真波形如图6所示，在×1、×2端输入周期T=40μs、相位差△φ=135°的两路被测信号，osc端为5 MHz的输入时标信号。本系统设计实现f、△φ测量，首先要是准确判断出被测信号的一个周期的起始与结束，因此采用单片机P16、P24来完成周期判断。 结合图4的CPLD设计的底层图和图6的CPLD仿真波形分析如下：首先P24=0。使下面的双D触发器清零，即1Q=2Q=0，而且P15=1对两个计数器74393清零，等待计数。P24由0→1后，当被测信号×2上升沿到来时1Q翻转，1Q=1，打开与门7411和7408，允许时标脉冲计数，此时2Q仍为0；当被测信号×2第二次上升沿到来时1Q再次翻转，1Q=0，同时2Q也翻转，2Q=1。此时单片机查询到P16=1，完成一个周期的检测。然后使P24=0，关闭与门7411和7408，停止计数。 计数完毕后，当P25为低电平且RD下降沿到来时，单片机读取第一个锁存器74373的数据为[q28…q211]=01001011；当P26为低电平且RD下降沿到来时，单片机读取第二个锁存器74373的数据为[q28…q21]=11000111，则△φ=(01001011／11000111)x360°=(75／199)×360°=135°。可见波形仿真验证了系统设计的正确性。 6结语 本文给出了一种采用CPLD器件EPM7128SLC84215实现相位差智能化测量仪的方案。整个系统充分利用单片机CPLD可编程逻辑器件各自的优势，只需少量的外围电路，即可有效测量正弦波、方波、三角波信号的相位差，硬件电路简单，精度高，抗干扰能力强，性能指标良好。 审核编辑 黄宇