信息與控制工程學院硬件課程設計說明書三相信號發生器設計學生學號： 學生姓名： 專業班級： 指導教師： 職 稱： 起止日期： 2013.4.222013.5.10 吉林化工學院Jilin Institute of Chemical Technology硬件課程設計任務書一、設計題目：三相信號發生器設計二、設計目的:1掌握三相信號發生器設計方法。2了解MSP430F169單片機硬件結構。3掌握MSP430F169系統的設計方法。4掌握直流穩壓電源設計方法。三、設計任務及要求1學習MSP430F169單片機等器件的工作原理及各引腳的說明，掌握該單片機系統的工作原理和設計方法。利用MSP430F169等元器件完成單片機系統設計和焊裝、調試。2使用單片機和運算放大器等電子元件實現三相正弦信號發生器電路設計。3完成基于MSP430F169單片機的三相正弦信號發生器程序設計和系統電路硬件焊裝、調試。四、設計時間及進度安排設計時間共三周,具體安排如下表：周次設 計 內 容設計時間第一周學習MSP430F169等器件的工作原理、各引腳說明和編程方法，學習三相信號發生器設計原理，查找相關資料。2013.4.22-2013.4.26第二周利用MSP430F169單片機等元器件完成三相信號發生器設計和焊裝。2013.4.29-2013.5.3第三周完成三相信號發生器設計硬件電路調試和軟件程序調試，編寫設計說明書。提交硬件設計作品及硬件課程設計說明書，完成硬件課程設計面試。2013.5.6-2013.5.10五、指導教師評語及學生成績指導教師評語:2013年5 月11 日成績指導教師(簽字):硬件課程設計任務書1引言3第一章 系統設計方案與論證41.1總體方案選擇41.2 器件的選擇41.2.1控制芯片選擇41.2.2 顯示器選擇41.2.3 鍵盤模塊選擇5第二章 系統硬件電路設計62.1 單片機小系統設計62.1.1MSP430F169單片機及內部模塊介紹72.1.2復位電路設計82.1.3按鍵電路設計82.2 A相信號輸出電路82.2.1隔直濾波電路設計82.2.2放大電路設計92.3 B相信號輸出電路92.4 C相信號輸出電路92.4.1求和電路設計102.4.2放大電路設計102.5 顯示電路設計102.6 電源電路設計112.6.1 單相橋式整流電路112.6.2 濾波電路112.6.3 穩壓電路11第三章 程序設計133.1程序部分參數計算133.2各程序流程圖133.2.1主程序流程圖133.2.2看門狗14第四章 測試數據及測試結果分析154.1 測試工具154.2 測試數據15結果分析15結 論16參考文獻17附錄18引言在現代電子系統的測試和應用中，信號源是必不可少的。根據不同系統對信號的不同要求，人們希望信號源輸出波形信號的幅值、頻率可調，且頻率準確、穩定；甚至在一些情況下還希望信號源能夠輸出相位關系確定的多路信號。因此，傳統的模擬信號源已經遠遠不能滿足目前的電子設計要求，而是直接采用數字化合成技術產生的全數字化信號源。以數字化為基礎的智能信號源，不僅在性能上有質的飛躍，功能上也更強大，操作更簡單。經過考慮，我決定設計一臺三相信號源，來代替電網的高壓三相電，滿足部分電力系統實驗的模擬和研究，同時，還可以用做測試信號。第一章 系統設計方案與論證1.1總體方案選擇方案一：利用模擬開關和電阻網絡產生階梯波，從而擬合出正弦信號。但為了準確的增益階躍，選取精密電阻十分困難，而且為了消除模擬開關導通電阻的影響，需要加電位器微調，即麻煩，又不能達到精度要求。方案二：以單片機為控制核心，利用單片機片發出數字量通過DAC轉換器輸出所需波形。控制單片機寫入到數模轉換器的數字量，即可控制其輸出的模擬電壓值。波形發生程序控制單片機輸出到DAC模塊的數據，使其產生所需波形的模擬電壓。改變更新輸出數據的時間間隔，控制輸出波形的頻率。可將一個周期正弦波分為72個時段，每時段起始正弦值存入數組，DAC用該數組數據擬合正弦波。當單片機的兩路DAC輸入數據在所存數組中相差24個單元，即可保證DAC0和DAC1輸出正弦波相位相差120。設DAC0和DAC1對應三相正弦交流電中的uA和uB相電壓，相電壓uC =-（uA+ uB）。因此，可將DAC0和DAC1輸出經反相加法器合成為相電壓uC，使信號發生器同時輸出三相基波信號。此方案輸出信號穩定，電路設計也相對簡單。方案三：從電網引入三相交流電，通過變壓器降壓，再通過濾波電路濾去高頻雜波，得到三相信號。再通過一些后續電路實現頻率及其幅值的調整，以達到設計要求。此方案得到的信號頻率固定，后續調整較為麻煩。綜合考慮我們選擇方案二。1.2 器件的選擇1.2.1控制芯片選擇方案一：采用目前比較通用的51系列單片機。此單片機的運算能力強,軟件編程靈活,自由度大。雖然該系統采用單片機為核心,能夠實現對外圍電路的智能控制,但核心控制部件使用89C51時,為達到設計的要求,外圍電路必須加上D/A芯片,這就使得整個系統硬件電路變得復雜,而且D/A器件價格較高,使得系統的性價比偏低。方案二：采用MSP430F169單片機。此單片機功能較強，性價比高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗小及具有較高的數據處理和運算能力。由于MSP430F169單片機內部集成了D/A轉換器,不需外加D/A。這種方案既能實現智能化的特點,簡化硬件電路,提高測量精度,這給調試、維護和功能的擴展、性能的提高,帶來了極大的方便。鑒于上面考慮,我們采用方案二。1.2.2 顯示器選擇方案一：采用LED顯示，把測量所得到的高度通過數碼管顯示。數碼管亮度高，體積小，重量輕。再配上74HC164（串行輸入轉并行輸出），使其不需要時時更新吧，節省CPU資源，而且可以使數據穩定，以達到靜態顯示的目的。 方案三：采用12864LCM點陣顯示器，點陣顯示界面友好，顯示信息量豐富，接口電路簡單，可以和單片機直接相連。考慮到本題顯示信息較少，只需要顯示三相信號的頻率，12864LCM點陣顯示器性價比較差，所以，我們決定選擇LED數碼管作為本系統的顯示模塊。1.2.3 鍵盤模塊選擇方案一：采用普通按鍵模式，通過點陣顯示器索顯示的信息對系統進行控制，方便快捷，易于實現。方案二：采用44矩陣鍵盤，其優點是按鍵數目較多，方便數據輸入，但需要單片機對其進行動態掃描，耗電量較高，編程較難。考慮到本系統的輸入信息較少，我們選擇普通按鍵作為本系統的鍵盤模塊。第二章 系統硬件電路設計本設計采用MSP430F169單片機作為系統控制單元，單片機通過按鍵或上位機讀取用戶設置的輸出信號頻率，再通過D/A轉換發出給定值，并通過濾波和放大產生A相和B相信號，再將A相和B相信號反向求和得到B相信號，設置及輸出信號參數通過LED顯示屏顯示。系統結構框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統結構框圖2.1 單片機小系統設計采用MSP430F169單片機作為系統控制單元，外配4MHz主晶振和32768Hz的輔助晶振、復位電路、按鍵電路、LM12864顯示器構成單片機小系統，MSP430F169單片機小系統電路如圖2-2所示。 圖2-2 MSP430F169單片機小系統電路2.1.1MSP430F169單片機及內部模塊介紹 MSP430F169是TI公司進入中國市場的MSP430F系列單片機中功能最強的芯片。內部模塊如下：（1）CPU（中央處理單元）：執行程序，處理16位二進制數據，自動執行。（2）振蕩器系統時鐘：與外電路配合產生方波時鐘信號，驅動CPU按時鐘節拍工作。（3）JTAG接口：與計算機系統連接，下載、仿真運行程序，自動執行。（4）只讀存儲器（ROM）：容量64KB,存儲程序、常數數據，執行過程中不能改動，掉電不丟失。下載時自動完成。MSP430F413的F是指該單片機采用FLASH型只讀存儲器。 （5）隨機存儲器（RAM）：容量64KB,存儲數據，執行過程中可改動，掉電丟失。自動執行。（6）上電復位：與芯片58腳（/RST-RESET）配合，芯片供電后引腳電平由低到高，CPU開始工作，自動執行。（7）PIO端口：并行（8條引腳對應8位二進制數）輸入輸出接口，實現微控制器與外電路連接。P1至P6輸入輸出功能相同，但P1和P2具有中斷功能。（8）看門狗定時器：實現定時功能，。 （9）增計數模式：捕獲/比較寄存器CCR0用作Timer_A增計數模式的周期寄存器，因為CCR0為16位寄存器，所以該模式適用于定時周期小于65536的連續計數情況。計數器TAR可以增計數到CCR0的值，當計數值與CCR0的值相等(或定時器值大于CCR0的值)時，定時器復位并從0開始重新計數。增計數模式的計數過程如圖2-3所示。通過改變CCR0值，可重置計數周期。圖2-3增計數模式示意圖2.1.2復位電路設計當系統一上電先經RC電路對電容充電，電容電壓不能躍變，為低電平，單片機自動復位，當電容充電過1/2VCC時，為邏輯高電平，單片機完成復位，開始正常工作狀態。當出現緊急情況需要復位時，按下按鍵，電容對地放電，當電容電壓低于1/2VCC時，單片機復位，松開按鍵，再重復上過程。我還配以保護二極管用以鉗制引入單片機的電壓不大于5V，從而保護單片機。2.1.3按鍵電路設計按鍵引入經過二極管的電源電壓VCC1，再經下拉電阻接地，當按鍵沒有按下時，單片機讀入低電平，當按鍵按下時讀入高電平，大約4.3V。2.2 A相信號輸出電路單片機DA轉換器產生的A相信號經過RC濾波電路,產生正弦信號，由電壓跟隨器送入反向比例放大電路放大輸出，如圖2-4所示。圖2-4A相信號輸出電路2.2.1隔直濾波電路設計單片機DAC輸出電壓范圍02.5V（峰峰值），中心軸（偏移量）對應1.25V，沒有負壓。所以必須經過隔直濾波，將DAC輸出的信號整體下移1.25V，使中心軸對應0V，從而模擬產生正弦信號。我設計選用RC隔直濾波。2.2.2放大電路設計 由于經過隔直濾波產生的電壓信號是幅值為1.25V的正弦信號，幅值和要求的比較太小，需要功率放大，我選用同向比例放大電路將幅值放大。放大比例關系如式2-2-2。 （2-2-2） 為了避免隔直濾波電路和放大電路之間的干擾，再在兩者之間加電壓跟隨器，將兩者隔離。2.3 B相信號輸出電路單片機的另一路DA轉換器產生B相信號，原理和電路設計和A相完全相同，電路設計如圖2-5所示。圖2-5 相信號輸出電路2.4 C相信號輸出電路由三相交流電的基本特性uC =-（uA+ uB），將產生的A,B兩相信號引入反相加法器求和，再經放大電路放大輸出，電路如圖2-6 所示。圖2-6 相信號輸出電路2.4.1求和電路設計MSP430F169單片機只有兩路DAC,沒辦法產生C相信號，所以，我考慮用A,B兩相信號合成并取反產生。并設計選擇了A,B兩相通過反向比例求和電路產生C相。合成產生C相信號關系式如式2-4-1 （2-4-1）2.4.2放大電路設計 同A相完全一樣。（略）2.5 顯示電路設計LED顯示模塊與單片機連接電路如圖2-7 所示。圖2-7LED顯示模塊與單片機連接電路由單片機的P4.0發出數據，P1.0發出移位時鐘信號，從而驅動74HC164，完成串行輸入轉并行輸出用以驅動LED數碼管。74HC164芯片內部結構如圖2-8 所示。圖2-8 74HC164芯片內部結構2.6 電源電路設計為了給三相信號源系統供電，電源電路如圖2-9所示，輸出5V直流電壓。圖2-9電源電路2.6.1 單相橋式整流電路變壓器的作用是將交流電網電壓u變成整流電路要求的交流電壓；四只整流二極管D1D4接成電橋的形式，固有橋式整流電路之稱。在電源電壓u的正、負半周內電流通過負載方向相同，屬全波整流，將交流電變為脈動。2.6.2 濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或在整流電路輸出端與負載間串聯電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種濾波電路。對小負載的電源，僅采用電容慮波即可。2.6.3 穩壓電路穩壓電路是將不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓的集成電路，一般均采用穩壓芯片制作穩壓電路。由于穩壓芯片具有穩壓精度高、工作穩定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優點，在各種電源電路中得到了普遍的應用。常用的穩壓芯片有78XX和79XX系列，其中78XX系列為正電壓輸出，79XX系列為負電壓輸出，輸出電壓有5V、9V、12V、15V、18V等規格，最大輸出電流為1.5A。它的內部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩定可靠，使用十分方便。第三章 程序設計3.1程序部分參數計算DAC輸出電壓范圍02.5V（峰峰值），對應輸入數字量范圍00FFFH；中心軸（偏移量）對應1.25V（數字量800H）；最大值1.25V（數字量800H）。若將一個正弦周期分為72個點，個點對應的DAC輸入數值計算公式如下：（再變為十六進制數）。其中N為各時段序號，Din為DAC輸入數值。逐段求出后基波數據后，轉換成十六進制數用常量數組存入單片機（常量數組占用ROM）。定時中斷時間常數計算公式： 其中：Buf_TB是MSP430F169單片機定時器B定時中斷時間常數；F是單片機定時器B所選時鐘頻率（8MHz）；N1是一個基波周期所分時段數；N2是基波頻率數。3.2各程序流程圖3.2.1主程序流程圖圖3-1主程序流程圖3.2.2看門狗定時器流程圖 圖3-2看門狗定時器流程圖第四章 測試數據及測試結果分析4.1 測試工具本設計采用頻率計，示波器，萬用表等進行測試。4.2 測試數據(1)測定輸出信號頻率測試數據如下：設定信號頻率（HZ）102030455053607599輸出信號頻率（HZ）結果分析 經測量我們得到上面的數據，當設定輸出為正弦波信號頻率時，輸出信號的頻率誤差小于0.02Hz，達到了題目要求。誤差引起的因素包括硬件電路的設計，外界的干擾，算法的選擇以及測量工具本身靈密度造成的測量誤差等。結 論本設計能夠輸出正弦波信號，輸出頻率范圍1099Hz可調，步進1Hz，能夠通過LED數碼管顯示輸出信號參數。從這次的電子競賽中，我真正地意識到，在以后的學習中，要理論聯系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，知識只有在經常的溫習使用的過程中才能提高升華。還有要鍛煉自己的動手能力，不能一味地去學習理論而不實踐。 隨著科學的迅猛發展，新技術的廣泛應用，會有很多領域是我們未曾接觸過的，只有敢于去嘗試才能有所突破，有所創新。也不僅僅是通過幾項工種所要求我們鍛煉的幾種能力，更多的則需要我們每個人在競賽結束后根據自己的情況去感悟，去反思。只有勤奮自勉，才能有所收獲。參考文獻1胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機.北京：北京航空航天大學出版社，20012秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統.北京：電子工業出版社，20073曹磊.MSP430單片機C程序設計與實踐.北京: 北京航空航天大學出版社，20074康華光.電子技術基礎 模擬部分. 北京：高等教育出版社.20025時景榮，李立春.C語言程序設計.北京：中國鐵道出版社.2007附錄/* MSP430F169雙路正弦波發生器程序清單*/#include /* 雙路正弦波數據表，存入ROM區*/const int NUM_SIN072= /正弦波數據表 0x800,0x8b2,0x963,0xa12,0xabc,0xb61,0xc00,0xc96,0xd24,0xda8,0xe20,0xe8d, / 0_55度 0xeed,0xf40,0xf84,0xfba,0xfe0,0xff8 ,0xfff,0xff8,0xfe0,0xfba,0xf84,0xf40, /60_115度 0xeed,0xe8d,0xe20,0xda8,0xd24,0xc96,0xc00,0xb61,0xabc,0xa12,0x963,0x8b2, /120_175度 0x800,0x74d,0x69c,0x5ed,0x543,0x49e,0x400,0x369,0x2db,0x257,0x1df,0x172, / 180_235度 0x112,0x0bf,0x07b,0x045,0x01f,0x007,0x000,0x007,0x01f,0x045,0x07b,0x0bf, /240_295度 0x112,0x172,0x1df,0x257,0x2db,0x369,0x400,0x49e,0x543,0x5ed,0x69c,0x74d; /300_355度const int NUM08=0X00,0X00,0X80,0X80,0X80,0X80,0X80,0X80;const unsigned short int N1=72; / 一個周期分組數int xs=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;const unsigned long int F=8000256; /高速時鐘頻率short int Buf_TB,N_sin,N_sin1; /定時器中斷周期、sin分組數unsigned int xdata=50,indata,setdata,aindata,setadata,N2=50,i,a,b;unsigned int a1,a2,b1,b2,i;/* 串行輸入轉并行輸出（數碼管驅動顯示）子程序*/void czb(void) a1=xdata/10; a2=xdata%10; b1=xsa1;b2=xsa2; i=0; while(i16) if(i7) P4OUT=b2&0x01; P1OUT=0x01; P1OUT=0x00; b2=b2/2; i+; /* 設置TimerB輸出PWM的工作模式*/void init_TB(void)Buf_TB=(int)(F/(N1*N2);TBCCR0 = Buf_TB;TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR+ SHR_0 ; / SMCLK, clear TBR,TBCCTL0 = CCIE; / 中斷使能CCR0TBCTL |= MC0; / 設置遞增模式/*Timer B0中斷服務程序*/#pragma vector=TIMERB0_VECTOR /中斷程序入口地址_interrupt void timer_B (void)/interruptTIMERB0_VECTOR void Timer_B (void) DAC12_0DAT = NUM_SIN0N_sin; / ccr1 Pwm cycleN_sin1 = N_sin+24;if(N_sin1 71) N_sin1 =N_sin1-72; DAC12_1DAT = NUM_SIN0N_sin1; / ccr1 Pwm cycleN_sin=N_sin+1;if(N_sin=72) N_sin = 0; _NOP();/*WDT中斷服務程序*/#pragma vector