基于單片機的相位差測量系統的設計

榮雪琴

(1.蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州工業職業技術學院電子工程系，江蘇 蘇州 215104)

利用一些常用的儀器進行波形檢測，往往只能測量波形的幅度、頻率以及觀察兩個波形的相對位置，所測的相位差誤差大，并且需要經過計算。本文以單片機為核心，設計了一款相位差測量系統，其具有硬件電路簡單、測量精度高、顯示直觀等優點，有一定的使用價值。

1 系統設計方案

系統的總體設計框圖如圖1所示，主要由信號檢測電路、單片機AT89C51和LED數碼管顯示等3部分電路組成。信號檢測電路，完成對兩個正弦波信號的周期T和時間差Δt的檢測；單片機完成對信號檢測的控制，把檢測到的信號轉換成相位差φ，并且轉換成數碼管所能顯示的字型代碼后，從單片機的串行口送出；顯示電路，采用3片串并轉換芯片74LS164進行輸出端口的擴展，然后在74LS164的輸出端各接一個數碼管，用于顯示相位差。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 信號檢測電路

信號檢測電路由1片雙電壓比較器LM393和2片雙D觸發器74LS74等組成（如圖2所示），完成兩個被測信號的時間差和周期的檢測，在AT89C51單片機的控制下，可以實現準確的測量。

（1）零點的檢測。由LM393等電路組成的零點檢測電路，分別用以檢測A、C兩點輸入的兩路交流信號的零點。以兩路正弦信號為例，在A、C兩點輸入兩個正弦信號，當輸入信號大于零時，分別在B、D兩點輸出高電平；當輸入信號電壓小于-5×（10K/330K）V時，分別在B、D兩點輸出低電平。因此在B、D兩點輸出兩個與輸入的正弦信號相對應的方波信號，由于方波信號的上升沿，正好對應輸入信號的由負變正的零點時刻，所以時間差信號和周期信號的檢測采用上升沿測量，可以提高測量的精度。

圖2 信號檢測電路

（2）周期信號的檢測。由圖2中下面兩個D觸發器在單片機P1.2和P1.3控制下，完成A點輸入的被測信號的周期T的檢測。P1.2接D1、D2兩個觸發器的清零端，同時也是 D2觸發器的輸入，P1.3與Q2相連接。P1.2是由軟件控制其為高電平或低電平，P1.3是軟件對其電平進行查詢的。開始進行檢測時，首先使P1.2為低電平，兩個D觸發器的清零端有效，此時輸出Q1和Q2都為低電平0；當P1.2由0轉為1并且B點信號由0變為1時，輸出Q1由0變為1，輸出Q2仍為低電平0；當B點信號第二次由0變為1時，輸出Q1又由1變為0，同時輸出Q2也由0變為1。當單片機檢測到P1.3為高電平時，意味著一次檢測完成，同時使P1.2清零，為下一次檢測做準備。輸出Q1正好對應輸入信號A的周期T，將這個周期信號接到單片機的外部中斷1引腳上。

（3）時間差信號的檢測。由圖2中上面兩個D觸發器和一個與門在單片機P1.2的控制下完成A、B兩個正弦信號的時間差Δt的檢測。當P1.2為低電平0時，兩個D觸發器的清零端有效，使得輸出 Q3和Q4都為低電平0；當P1.2為高電平1并且B點信號由0變為1時，輸出Q3由0變為1，由于此時D點信號仍為低電平0，使得觸發器D4的脈沖信號無效，所以輸出Q4仍為低電平0；當D點信號由0變為1時，輸出Q4由0變為1，從而與門的輸出由1變為0，觸發器D3的清零端有效，使輸出Q3由1變為0，這樣就完成了A、B兩個正弦信號的一次時間差的檢測，輸出Q3即為時間差信號Δt，將這個時間差信號接到單片機的外部中斷0引腳上。

2.2 顯示電路

顯示電路由3個單個數碼管和3片74LS164構成（如圖3所示）。所需顯示的3位數字的字型碼，由串行口的接收端P3.0輸出，串行口的發送端P3.1輸出同步移位脈沖，P1.0控制3片74LS164的清零端，單片機的串行口工作在方式0，只要將需要顯示的3位數字的字型碼從串行口輸出，就能在3個數碼管上穩定地顯示出來。

圖3 顯示電路

（1）串行輸入并行輸出移位寄存器74LS164。74LS164為8位移位寄存器，與單片機的串行口組成擴展輸出端口的電路。當清零端（CLR）為低電平時，輸出端（D0～D7）均為低電平。串行數據輸入端（A，B）可控制數據輸入。當 A、B任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CK）脈沖上升沿作用下D7為低電平。當A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CK上升沿作用下決定D7的狀態。左邊的74LS164的輸入端A/B接單片機的P3.0用于接收串行口發送的數據，中間和右邊的74LS164的輸入端分別接各自左邊的74LS164輸出的最低位D0，P3.1用于輸出同步脈沖，在P3.0每輸出一位數據時，P3.1同時輸出一個同步脈沖信號，在同步脈沖的作用下，將輸入數據從左邊的74LS164的D7輸出，原來的D7～D0的數據依次向右移一位，這樣當3個8位的字型碼發送完，先發送的在最右邊的74LS164的D7～D0輸出，后發送的在左邊的74LS164的D7～D0輸出。

（2）數碼管。數碼管內部由7個條形發光二極管和1個小圓點發光二極管組成，根據各管的亮暗組合成字符。常見數碼管有10根管腳。其中COM為公共端，根據內部發光二極管的接線形式，可分為共陰極和共陽極兩種。使用時，共陰極數碼管公共端接地，共陽極數碼管公共端接電源。每段發光二極管需5～10mA的驅動電流，才能正常發光，一般需加限流電阻控制電流的大小。

本系統采用3個單個共陰極的數碼管，工作在靜態顯示方式。將3個數碼管的公共端都接地，其余8個輸入端分別接74LS164的8個輸出端，每當串行口發送3個字型碼時，數碼管就能穩定地顯示出兩個被測信號的相位差。

3 軟件設計

系統的軟件主要完成對時間差信號和周期信號的檢測的控制和采集，并通過計算轉換成兩個被測信號的相位差，再通過查表轉換成相對應的字型碼，利用串行口將其發送。

3.1 相位差的測量

根據相位差的定義，兩個周期同為T的正弦信號，其相位差Φ與時間差Δt和周期T的關系為：Φ=（360°/T）Δt，在單片機控制下，信號檢測電路可以精確地測出T和Δt，從而可以計算出相位差Φ。

使用單片機內部的定時器/計數器T0、T1分別測量Δt和T。將T0和T1設為內部定時方式（C/T軈=0），工作方式選擇方式2（M1M0取10），門控位選擇軟件與硬件共同啟動（GATE=1），因此方式控制字為AAH；定時器/計數器T0、T1的初始值選擇00H；定時器/計數器T0、T1都工作在中斷方式，因此要開放定時器T0和T1的中斷（EA=1，ET0=1，ET1=1）。以Δt的檢測為例，將TR0置1后T0是否計數，取決于外部中斷0引腳上的信號，當外部中斷0引腳上的信號由0變為1時，T0開始計數，計數器計滿時觸發中斷，在中斷服務程序中，使用內部寄存器R3記錄中斷次數，當外部中斷0引腳上的信號由1變為0時，停止計數。因此只要將Δt信號接在外部中斷0引腳上，就可方便地求出以微秒為單位的Δt的數值，若晶振頻率為 12MHz，即 Δt=R3× 28+（TL0）。

同理，將T信號接在外部中斷1引腳上，就可方便地求出以微秒為單位的T的數值，即T=R5×28+（TL1），R5為記錄T1的中斷次數。

采用這種方法測量T和Δt的最大絕對誤差為1μs，主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 顯示子程序

顯示子程序完成將計算出的相位差Φ轉換成相應的字型碼，然后再將其發送，就能在數碼管上顯示出來。代碼轉換時只需要定義一個0～9的字型碼表，利用查表指令，將計算出來的相位差查出相應的字型碼，并存放在內部RAM的3個存儲單元。在進行串行發送的時候，首先將74LS164清零，設置發送字節數R7為3，串行口工作方式為方式0，因此SCON為00H，接著就可以啟動串行口發送，等待一幀數據發送完后，清除發送中斷標志位，再取下一個發送的數據，直到3個數據發送完。

4 結束語

相位差是交流信號的一個重要參數，采用AT89C51單片機作控制器，可充分利用單片機片內的硬件功能和CPU處理功能。此測量方法具有硬件電路簡單、測量精度高、顯示直觀等優點，具有一定的使用價值。

[1]劉文濤.MCS-51單片機實用教程[M].北京：原子能出版社，2005.

[2]劉訓非.單片機技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]任中民.數字電子技術[M].北京：清華大學出版社，2005.