1、清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 I 页 共 II 页 目 录 1 绪论 . 1 1 1 选题背景和意义 . 1 1 2 DSP 简介及发展 . 2 1 3 传感与检测技术 介绍 . 2 1.3.1 传感检测技术的组成及应用 . 2 1.3.2 传感检测技术的发展 . 3 1 4 本课题研究的主要内容 . 4 1.4.1 本课题要研究的问题 . 4 1.4.2 拟采用的手段 . 4 2 磁电检测原理及信号调理 . 5 2 1 磁电检测系统构成 . 5 2.1.1 磁电检测系统流程图 . 5 2.1.2 霍尔元件非接触电量检测电路结构 . 5 2 2 霍尔效应和霍尔元件 . 6 2.
2、2.1 霍尔效应 . 6 2.2.2 霍尔元件 . 7 2 3 电压信号检测原理 . 7 2.3.1 霍尔电压传感器简介 . 7 2.3.2 芯片 MAX603 介绍 . 9 2.3.3 电压检测电路 . 9 2.3.3 电压检测电路仿真结果 . 10 2 4 电流信号检测原理 . 11 2.4.1 霍尔电流传感器简介 . 11 2.4.2 电流检测电路 . 13 2.4.3 电流检测电路仿真结果 . 14 2 5 模块实物效果 . 15 3 系统硬件设计 . 17 3 1 系统理论分析 . 17 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 II 页 共 II 页 3.1.1 系统需求与功能
3、 . 17 3.1.2 电压 /电流信号调理电路的应用 . 17 3.1.3 交流采样频率的确定 . 18 3 2 硬件系统构成 . 19 3.2.1 硬件系统结构 . 19 3.2.2 系统实施方案 . 20 3 3 DSPTMS320LF2407 芯片概述 . 20 3.3.1 TMS320LF2407 特性简介 . 20 3.3.2 CPU 内核结构 . 22 3 4 DSP 最小工作系统的建立 . 24 3.4.1 电源电路设计 . 25 3.4.2 时钟电路设计 . 25 3.4.3 复位电路设计 . 26 3.4.4 JTAG 接口电路 . 27 3 5 检测系统的硬件连接 . 2
4、7 3.5.1 A/D 转换模块 . 27 3.5.2 按键输入电路 . 28 3.5.3 液晶显示电路 . 29 3 6 电路分析与数据处理 . 30 4 检测系统软件设计与实现 . 32 4 1 DSP 开发环境简介 . 32 4 2 系统主程序设计 . 33 4 3 A/D 采样程序 . 34 4 4 具体实现步骤 . 35 5 总结 . 36 附录 1 源程序清单 . 37 附录 2 相关头文件 . 53 参考文献 . 57 致谢 . 59 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 1 页 共 II 页 1 绪论 1 1 选题背景和意义 强电具有电压高、电流大、功率大、频率低等特点
5、，随着电技术对国民经济的影响逐渐加大和人们对电能研究的逐渐深入，磁电检测技术不仅仅要考虑电压、频率和谐波等各种稳态指标，还包括影响电能质量的实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，比如要求系统能够进行故障识别、干扰源识别、故障预测和信息共享等 1，对 强电电压和电流的检测需要考虑很多因素，直接接触检测非常不方便，而且存在安全隐患。基于 DSP 的磁电检测，是利用数字信号处理技术研究霍尔磁电信号检测处理的系统，以霍尔元件作为检测传感器，可获得准确、可靠的强电检测信息 2。 传感与检测室应用传感器将被测量信息转换成便于传输的
6、和处理的物理量，进而进行变换、传输、显示、记录和分析数据处理的技术。近年来 ,数字信号处理器件在处理速度、处理能力诸方面均取得了划时代进步 ,并且价格迅速降低，不但能够满足快速实时处理、处理数据量大、处理精度高的要求，而且由于价格适中，可以投 入到工业生产中，这就使得我们研制高性能便携式的电力参数监测设备有了更好的选。 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好、寿命长、耐高低温和耐冲击等的优点， 采用霍尔元件作为测量传感器是居于霍尔效应的非接触检测原理，其电压、电流检测在传感器线性传输范围内具有较高的测量精确度、良好的线性度以及较低温漂的优点，且反应时间快、频率宽，非常适用于高电压、大电流等强
7、电电量的检测 3、 4。 本课题通过应用 DSP 技术，选用霍尔电压传感器 LV28-P 与霍尔电流传感器LTS6-NP 设计电路，实现非接触测量强电的电压和电流。在硬件 上，采用霍尔元件进行检测信号端与检测端的电路隔离，实现强电信号的采集和调理，将检测到的信号送入 LF2407 芯片进行数据处理，最后通过 LCD 显示检测结果；在软件上，实行模块化编程，设计不同的调用程序实现不同的功能。设计电路不仅可以定量检测强电的电压电流值，而且可以实时分析所测电量的变化规律，构成多功能的非接触强电检测系统。 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 2 页 共 II 页 1 2 DSP 简介及发展
8、数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、交换、综合、估值和识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的，具有灵活性高、稳定性好 、抗干扰能力强、易于大规模集成等优点。数字信号处理器（ digital signal processor， DSP）是针对数字信号处理的需求而设计的一种可编程的处理器，是现代电子技术，计算机技术和信号处理技术相结合的产物，运算速度快，编程方便，善于完成数字信号处理。 DSP 在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪器仪表等高科技领域获得了越来越广泛的应用 3。 TMS320C2000 系列 DSP芯片由美国德州仪器（ TI）公司推出
9、，是针对工业应用提供的高性能和高代码效率控制器。在提供通用处理器性能的同时，将丰富的微控 制器集成与 TI 领先的 DSP技术融合在一起，具有处理能力强、功耗低、资源配置灵和等优点，并广泛应用于工业自动化、电动机控制、家用电器和消费电子等领域 5。 在实际的控制工程应用领域， TI 公司的 TMS320XX20x 系列 DSP 芯片应用最为广泛，一起功能强大、价格低廉呗广泛应用，同时也推动了其自身的发展。TMS320LF2407 是 TI 公司所有 24x 系列中最新、功能最强且价格相当低廉的一种MCU，比一般单片机更具强大的乘法运算可处理 DSP 操作，其应用极为广泛，遍布普通的电子系统和高
10、档的航天、军事领域。 目前，我国 DSP 芯片主要来自海外，相对于国外 DSP 的应用开发的情况，我国的差距相当大。今年来，在国内一些专业 DSP 用户的推动下，我国 DSP 的应用日渐普及，除了专业公司外，一些高校在 DSP 应用技术的发展上也起了关键的作用，培训了大批 DSP 应用方面的人才。新的互联网时代， DSP 面临的要求是处理速度更高、性能更多更全、功耗更低、存储器更少。 DSP 技术将会有以下一些发展趋势： DSP 的内核结构进一步改善， DSP 和微处理器相融合， DSP 和 FPGA 相结合，采用并行处理结构，功耗越来越低等等 3。 DSP 应用领域日渐宽广，随着 DSP的新
11、兴市场发展， DSP 技术将更加广泛地应用于数字消费产品、数字监控产品、生物识别技术等领域 7。 1 3 传感与检测技术 介绍 1.3.1 传感检测技术的组成及应用 传感检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 3 页 共 II 页 和技术，是自动化技术四个支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务有：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性 |定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法 和相应的设备。一个检
12、测系统一般由激励装置、被测对象、敏感元件、调理电路与输出单元所组成。尽管现代检测系统所用的仪器种类繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测。通常由各种传感器将非电被测参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出。由以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的检测系统，其各部分关系如图 1.1所示。 图 1.1 现代检测系统一般构成 现代检测技术在当今社会的各个行业中 ,起着举足轻重的作用。无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测。例如现代检测技术的一个主要发展方向光
13、电检测技术，它由于具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高以及自动化程度高等突出特点而广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。 1.3.2 传感检测技术的发展 各国传感检测技术的发展与电子技术发展密切相关，目前，日、美处于领先地位，欧盟的德、英、法、荷兰等国水平也较高，在智能化机器人用传感器的研制上取得一 定的成果。我国的传感检测技术研发工作起步晚品种和质量都落后于国外被测对象 传感器 信号调理电路 数据采集 信号处理 信号记录 信号传输 信号显示 输入设备 稳压电源 控制及功率放大 执行器 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 4 页 共
14、II 页 10-15 年，与各种因素有关，目前我国已研制出发展规划，并将传感检测技术的研究列入国家重点发展项目。国内外传感技术将采用新技术、新工艺、新材料，探索新理论，以达到高质量的转换效能，向着高精度、小型化、集成化、数字化、智能化方向发展 6、 8。 我国已经顺利加人 WT0，国外许多如芯片制造、精密加工等高新企业纷纷落户，这些企业的所在地如上海浦东开发区、苏州新加坡工业园等已经对供电电压中断、闪变和谐波含量等电能质量提出了严格的要求，但是 现在我国电力系统 中使用的大多数测量装置的设计往往采用模拟电路，在用于电能质量监测时，精度和可靠性难以达到要求 9。为满足电力系统网络化、自动化的发展
15、需要，新型电参数检测系统正在采用 DSP 技术，朝着高准确度、低误差、体积小、高安全性、多功能、智能化与便携式方向发展 10。 1 4 本课题研究的主要内容 1.4.1 本课题要研究的问题 本课题基于 DSP 的 TMS320LF2407 芯片，利用霍尔传感器，设计准确的电路实现对强电的电压和电流进行非接触检测。通过设计硬件电路及软件编程实现对检测到的电信号进行处理分析，从而获得可 靠的检测信息。 1.4.2 拟采用的手段 (1).确立方案，建立硬件系统流程图，准确地设计出并绘制电路原理图； (2).通过模拟仿真软件验证电路的准确性和可实施性； (3).绘制软件流程图，用 DSP 集成开发工具
16、 CCS 编写相关控制程序，实现键盘控制操作，并在 LCD 上显示运行结果； (4).连接实物模块，调制电路及控制程序，多次改装和调试。 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 5 页 共 II 页 2 磁电检测原理及信号调理 2 1 磁电检测系统构成 2.1.1 磁电检测系统流程图 磁电检测系统流程结构图如图 2.1 所示，它由霍尔磁电检测模块、 LF2407DSP模块、 LCD、键盘输入模块组成。用霍尔传感器检测到的电流或电压信号，由放大器进行放大处理，通过采样和保持调理，获得可靠的模拟电信号，该信号经 A/D转换器转换成便于数字电路处理的数字信号。 DSP 芯片完成对数字信号的数据
17、处理，包括观察电量的变化规律、显示电压、电流变化曲线、设定数据处理模式等，根据键盘输入选择信息，最终将处理结果通过 LCD 显示。 图 2.1 霍尔磁电检测系统流程图 实验时，输入电压由自偶调压变压器提供（交流），也可以由稳压电源提供（直流） ；输入电流由以自藕调压变压器或稳压电源为电源的电路提供。通过调节自偶调压变压器或稳压电源，可以得到变化的电压和电流。实际应用中可以选择需要测量电压电流的设备作为信号源进行检测。 2.1.2 霍尔元件非接触电量检测电路结构 磁电检测采用霍尔元件作为磁电转换器件，分为电压检测和电流检测两部分。采用霍尔元件作为测量传感器是基于霍尔效应的非接触检测原理，其电压、
18、电流检测在传感器线性传输范围内具有较高的测量精度和良好的线性度，以及较低温漂的优点，且反应时间快，非常适合于高电压、大电流等强电电量的检测。其非接触检测电 路结构如图 2.2 所示。 强电电压或电流 霍尔电压 /电流传感器 信号放大调理 A/D 转换 LCD 显示 键盘输入 DSP 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 6 页 共 II 页 图 2.2 霍尔元件非接触电量检测电路结构 2 2 霍尔效应和霍尔元件 2.2.1 霍尔效应 当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会产生电势差（霍尔电势差），这一现象称为霍尔效应。 如图 2.3 所示， 在一块通
19、电 电流 I 的 金属或 半导体薄片上，加上和 薄片 表面垂直的磁场 B，在薄片的横向两侧会出现一个 霍尔电势差 VH。 这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电 场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压 。 图 2.3 霍尔效应 清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 7 页 共 II 页 霍尔电压计算公式如下： BIKVH (2.1) dRK H (2.2) 式中， K 为乘积灵敏度 (m2C
20、-1)； I 为控制电流 (A)； B 为磁感应强度 (T)； RH 为霍尔系数 (m3C-1)，由半导体的材料性质决定； d 为半导体材料的厚度 (m)。 2.2.2 霍尔元件 根据霍尔效应，如图 2.3，在薄片上作四个电极 C1、 C2、 C3、 C4。其中 C1、 C2称为电流电极，电极间通以工作电流 I； C3、 C4 称为敏感电极，电极间取出霍尔电压 VH，将各个电极焊上 引线，并将薄片用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件。 霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等得污染或腐蚀。如果式 (2.1
21、)中电流 I 为常数，磁感应强度 B 与被测电流成正比，即为霍尔电流传感器；如果电流 I 为常数，磁感应强度 B 与被测电压成正比，即为霍尔电压传感器。但此时的霍尔传感器电压信号都非常小，还需要经过一些运算放大电路的处理才能输出较强的信号。 2 3 电压信号检测原理 2.3.1 霍尔电压传感器 简介 霍尔元件电压 检测电路采用霍尔电压传感器 LV28-P进行电压转换。 LV28-P具有 出色的精度 、 良好的线性度 、 低温漂 、 抗外界干扰能力强 、 共模抑制比强 、 反应时间快 和 频带宽等优点， 利用霍尔效应的闭环 (补偿 )电流进行霍尔电压计算，其原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直
22、流、交流和脉冲电压。其引脚及电压检测连接图如图 2.4所示 。 霍尔电压传感器的电压测量范围为 10 500V，被测电压由原边的正端 +HT与负端 -HT两端引入，在传感器内部通过电感转换成电流进行测量。电压检测副边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻 R1确 定，串联在传感器原边回路中。如果传感器原边电阻 R1的阻值较小，将会导致原边电阻与电感的阻值可比，从而造成测量精度达不到正常标准。因此霍尔传感器 LV28-P适于测量幅值较大的电清华 大学 2012 届毕业设计 说明书 第 8 页 共 II 页 压。 图 2.4 霍尔电压传感器的引脚图及其连接 传感器副边输出一个电流量，
23、电流通过测量电阻 RM 转换为输出电压。其电参数如表 2.1 所示。 表 2.1 霍尔电压传感器电参数 电参数 说明 量值 单位 IPN 原边额定有效值电流 10 mA IP 原边电流测量范围 0 14 mA RM 测量电阻 with 15 V 10 mA max 14 mA max RM min RM max 100 350 100 190 ISN 副边额定有效值电流 25 mA KN 转换率 2500:1000 VC 电源电压 ( 5 %) 15 V IC 电流消耗 10+ IS mA Vd 有效值电压用于交流绝缘检测 2.5 kV XG 总精度 IPN (TA = 25C %) 0.6 线性度 0.2 由表 2.1 可知，在额定状态下，副边输出电流值为原边电流值的 2.5 倍 (注：在
