摘 要:信号功率是电子器件、系统的一个重要物理参数,它不但表示信号的能量,而且是一个非常重要的信号特征参数。本文设计以ARM7TDMI-S为内核的LPC2142微处理器为控制器为核心的功率信号测量电路来实现信号功率的测量计算。有效值转换电路采用AD536真有效值转换器,完成信号的有效值转换,转换后信号送入ARM芯片的AD采样并计算。信号功率的显示通过LCM128645ZK型液晶屏来实现。该系统借助于ADS1.2集成开发环境进行JTAG硬件仿真调试。
关键词:功率测量 嵌入式系统 ARM
中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0013-02
信号功率一直是电子器件、系统的一个重要物理参数,它不但表示信号的能量,而且是一个非常重要的信号特征参数。因此,功率的测量不仅可以测量信号能量信息,也可以根据其谱特征表述信号物理性质,对表述信号的物理特征提供有效的根据。关于功率测量的方法有很多种,但是,归根结底都是测量负载的电流和负载两端的压降,然后利用公式:
(1)
根据公式(1)进行计算,这样就可求得负载的功率。在测量负载的电流和负载两端的压降时所采用的方法可以归结为两大类:直接测量和间接测量。
直接测量,就是利用电流表、电压表或万用表等仪器进行测量,从而读出电流值和电压值,最后通过计算得出功率的数值。
间接测量,就是在负载端的电流或电压不方便或不能直接用万用表等仪器进行测量时,通过一些其他方法间接的测量出负载端的电流和压降。初次之外,还可以采用耦合的方法,利用电磁感应来测量电流和压降。
1 嵌入式系统与嵌入式处理器
1.1 嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积以及功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分,成为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
某些情况下,嵌入式系统在功能上是独立的系统。例如,网络路由器是独立的嵌入式系统,它由特殊的通信处理器、内存、许多网络访问接口(称为网络端口)以及实现包的路由算法的特殊软件组成。换句话说,网络路由器是一个独立的嵌入式系统,路由包从一个端口到另一个端口实现程序化的路由算法。
1.2 ARM7TDMI-S处理器
ARM7TDMI是目前低端的ARM核,具有广泛的应用,其最显著的应用为数字移动电话。
ARM7TDMI-S处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一,它使用流水线来增加处理器指令流的速度,这样可使几个操作同时进行,并使处理核存储系统连续操作,能提供0.9MIPS/Mhz的指令速度执行。流水线使用3级,因此指令分为3个阶段执行。
(1)取指。
(2)译码。
(3)执行。
在正常操作过程中,在执行一条指令的同时,对下一条指令进行译码,并将第3条指令从存储器中取出。
3阶流水线如图1所示。
注:程序计数器(PC)指向被取指的指令,而不是指向正在执行的指令。
2 信号功率测量的方法
2.1 功率测量的原理
功率是指物体单位时间内做的功。也就是说,功率是一个表征物体做功快慢的物理量。求功率的基本工式:功率=功/时间(其中,P(功率),W(功),T(时间))。对于信号功率的测量,采用了“真有效值/直流(TRMS/DC)转换检测功率法”。
对于直接测量信号功率不是很方便且有一定难度,因此我们需要避免直接测量。根据功率的计算公式:P=U·I,我们可以通过测取信号的电流有效值和电压有效值,然后将两者相乘就可得到信号的功率有效值了。
所谓真有效值即为“真正有效值”之意,英文缩写为“TRMS”,有的文献也称为真均方根值,交流电压的有效值的表达式为:
(1)
近似公式为:
(2)
由以上两式可得出,对输入电压依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算,也能得到交流电压的有效值。
同理,我们也可得出电流的有效值。
真有效值仪表的的核心器件是TRMS/DC转换器。现在市场上这类单片的集成芯片很多,真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。单片集成电路具有集成度高、功能完善,外围元件少,电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点,这类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值,无须考虑波形参数和失真,这些性能是平均值仪表无法比拟的。
因此,测试过程中,有效值检波电路的核心部件就采用芯片AD536AJQ。
2.2 硬件部分
功率测量系统要求能够测量多种连续信号的功率,且要求达到较高的精度,因此,本系统采用了“真有效值/直流(TRMS/DC)转换检测功率法”。本系统选用有效值转换芯片AD536AJQ作为系统的功能核心;嵌入式微处理器LPC2142功能强大且廉价易得,完全胜任系统的主控芯片。另外,选用了一个12864的液晶屏作为人机交互界面。
最终设计的硬件电路系统框图如图2所示。
由电路系统框图可知,Philips公司的嵌入式微处理器LPC2142为整个系统的控制核心。当系统通电开始工作后,首先,信号经过放大电路放大,之后进入以AD536AJQ为核心的有效值检波电路进行有效值检波;接着在一按键的控制下,LPC2142中的AD开始工作,采集检波后的数据,并根据公式(1)和(2)进行计算,最终信号的电压、电流和功率被LPC2142测量出,最终送到液晶屏LCM128645ZK上进行显示。本系统中,由PHILIPS公司生产的嵌入式微处理器LPC2142作为控制和处理核心。
2.3 软件部分
此系统使用的ARM芯片为Philips公司的LPC2142,因而,软件的设计主要针对LPC2142来进行,系统的软件流程图如图3所示。
可见,系统软件的设计可以分为两部分。
(1)启动代码设计。
(2)系统功能程序的设计。
其中,启动代码是芯片复位后进入C语言的main()函数之前执行的代码,主要是为运行C语言程序提供基本的运行环境,如初始化存储器系统等,本系统使用的启动代码由厂商提供。
2.3.1系统功能程序的设计
由于系统包含多个功能模块,所以功能软件也可以分为多个模块进行设计,其中LPC2142为核心控制模块。图4为主程序的流程图。
3 系统测试结果
在本次论文过程中,系统的硬件和软件得到不断的修改与完善,在最终调试成功之后,针系统所需实现的功能,进行了一些实际测量实验,对系统的性能进行了测试,具体测试结如表3-1所示。
第一组 SIN信号,频率10kHz,AMP5～3V
第二组 SQ信号,频率10kHz,AMP5～3V
第三组 TRI信号,频率10kHz,AMP5～3V
第四组 RMAP+信号,频率10kHz,AMP5 ～3V
第五组 CW信号,频率12.4kHz～15.2kHz,AMP为1V
实验证明该装置可以测量连续信号的电压有效值,电流有效值以及功率的有效值,是测量精度较为理想的功率测量仪。
参考文献
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