1、 本科毕业设计 (论文 ) 题目： 基于 ARM 的信号有效值检测模块 硬件设计 院 （系）： 电子信息工程 专 业： 电子信息工程 班 级： * 学 生： * 学 号： * 指导教师： * 2010 年 6 月摘要 I 基于 ARM 的信号有效值检测模块 硬件设计 摘 要 在信号检测及分析中，有效值是经常需要检测及 测量的参数，对信号分析及相关信息的提取具有重要作用。课题综合利用 ARM 技术、有效值检测技术及串口通信技术，以 ARM 处理器 LPC2103 和有效值检测芯片 AD637 为核心完成了一套信号有效值检测模块的硬件设计。被测信号有效值的测量通过 AD637 进行，将信号的有效值
2、转换成代表该有效值大小的直流电平；利用 LPC2103 内部的 A/D转换器采集这一直流电平，将其转换为数字量交给 LPC2103 处理； ARM 处理器LPC2103 完成整个模块的控制工作，将 A/D 采集的有效值电平通过运算得到具体的有效值，然后通过数码管驱动在数码 管上显示，同时通过串行口将检测到的数值发送到上位机程序界面进行同步显示。论文首先介绍了课题的设计方案，然后对课题实现 的 相关技术及器件进行了介绍，在此基础上详细分析了模块的硬件原理设计。所设计的有效值检测硬件电路经测试，工作正常，功能满足设计指标要求。 . 关键词： 信号有效值； ARM； LPC2103； AD637Ab
3、stract II The Hardware Design of Signal RMS Detection Module Based on ARM Abstract In the filed of signal detection and analysis, RMS parameter is often needed to be testedand measured and play an important role in signal analysis and related information extraction. This paper adopts LPC2103, the co
4、re processor with ARM architecture and AD637, the signal processing chip as well as using ARM, signal acquisition and processing, serial communication technology and so on to design and finished a RMS inspection module.In the design, the detected signals effective value is measured by the RMS AD637
5、chips, that is the detected signals effective value will be converted to the equal DC level. Based on the LPC2103s internal A/D converter, this acquired DC level will be converted to the digital quantity transferred to ARM processor for more process. ARM processor control the whole module,it archiev
6、es the specific RMS by computing the RMS level acquired by A/D converter, and then displays the digital value by driving display of the digital tube, as well as send the effective value to the PC program through serial port to perform a synchronizing display. This paper introduces the background, si
7、gnificance, the related technologies, hardware diagram design and the process of debug. Finally, the designed hardware circuit is tested and works well, satisfying the design requirement. Keywords: Root Mean Square; ARM; LPC2103; AD637 目录 i 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . I 略 语 表 . I 1 绪论 . 1 1.1 前言
8、 . 1 1.2 课题研究的意义 . 1 1.3 相关技术现状 . 2 1.3.1 信号有效值检测技术 . 2 1.3.2 ARM 技术 . 2 1.3.3 EDA 技术 . 3 1.4 课题的主要研究内容 . 4 1.5 课题研究的主要内容及重难点 . 5 1.5.1 课题研究的重点 . 5 1.5.2 课题研究的难点 . 5 1.6 论文的结构安排 . 5 2 系统设计方案 . 7 2.1 系统设计目标及指标要求 . 7 2.2 方案论证 . 7 2.2.1 信号有效值检测电路设计方案一 . 7 2.2.2 信号有效值检测电路设计方案二 . 7 2.2.3 信号有效值检测电路设计方案三 .
9、 8 2.3 设计方案 . 8 2.4 相关技术选择 . 8 目录 ii 2.4.1 有效值检测芯片的选择 . 8 2.4.2 处理器选择 . 9 2.4.3 数码管显示及驱动芯片的选择 . 9 2.4.4 电平转换芯片的选择 . 9 3 相关技术介绍 . 10 3.1 信号有效值 . 10 3.2 ARM 处理器 LPC2103 . 10 3.3 有效值检测芯片 AD637 . 12 3.4 高速运放 SN10503 . 13 3.5 电子开关 CD4052 . 14 3.6 数码管显示及驱动 . 15 3.7 上位机显示及电平转换 . 17 3.8 LM1117 . 19 3.9 B050
10、5 . 19 4 硬件原理图设计 . 21 4.1 硬件功 能概述 . 21 4.2 处理器电路设计 . 21 4.2.1 处理器电路 . 21 4.2.2 晶振电路 . 22 4.2.3 去耦电路 . 23 4.2.4 复位电路 . 23 4.2.5 JTAG 电路 . 25 4.3 信号预处理 . 26 4.3.1 信号的放大 . 26 4.3.2 信号的衰减 . 27 4.3.3 信号的选通 . 28 4.4 信号有效值检测 . 29 4.5 数码管显示及驱动 . 30 4.6 串口电平转换 . 31 目录 iii 4.7 电源电路设计 . 31 4.7.1 指示灯电路设计 . 31 4
11、.7.2 5V 3.3V 转化 . 32 4.7.3 5V 1.8V 转化 . 32 4.7.4 5V -5V 转化 . 32 4.8 总体原理图 . 33 4.9 PCB 设计 . 33 4.9.1 印制电路板设计步骤 . 33 4.9.2 印制电路板设计原则 . 34 4.9.3 PCB 设计编辑器的使用 . 34 4.10 生成印制电路版报表 . 35 5 系统调试 . 36 5.1 硬件调试 . 36 5.2 注意事项 . 37 5.3 调试结果 . 37 6 结论 . 39 6.1 设计结论 . 39 6.2 收获与体会 . 39 6.3 不足及有待改进的地方 . 40 致谢 . 4
12、3 参考文献 . 41 毕业设计（论文）知识产权声明 . 44 毕业设计（论文）独创性声明 . 45 附录 A 硬件原理图 . 46 附录 B PCB 布线图 . 47 附录 C EASYARM2103 开发板实物图 . 48 目录 iv 附录 D 核心外围电 路实物图 . 49 附录 E 外文资料原文及翻译 . 50 略语表 I 略 语 表 1、 TRMS， True Root Mean Square，真有效值 2、 EDA, Electronic Design Automation，电子设计自动化 3、 UART, Universal Asynchronous Receiver/Trans
13、mitter， 通用异步收发 4、 GPIO,General Port Of Input and Output，通用输入 输出端口 5、 SPI,Serial Peripheral Interface，串行同步接口 6、 PLL,Phase-Locked Loop，锁相环 7、 RISC,Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机 8、 JTAG,Joint Test Action Group，联合测试行动组 9、 TCK,Test clock， 测试时钟 10、 TMS,Test Mode Select，测试模式选择 11、 TDI,Test Data
14、 Input，测试数据输入 12、 TDO,Test Data Output，测试数据输出 1 绪论 1 1 绪论 1.1 前言 目前 由于电力电子技术的飞速发展 ,各种电力电子装置在工业、交通及电力系统中的应用日益广泛 ,电压、电流波形的畸变也日趋严重。在测量系统中 ， 如何准确、实时地测量各种信号波形的有效值 ， 而不必考虑波形参数以及失真度的大小 ， 始终是这一领域所关注的焦点问题，对信号的有效值检测也越来越重要。本课题的名称是 “基于 ARM 的信号有效值检测模块 硬件设计 ”，主要任务是 以ARM7 处理器 LPC2103 及有效值检测芯片 AD637 为核心完成一套 信号有效值检测
15、模块的硬件电路设计。所设计的有效值检测模块可应用于各种需要信号有效值检测的场合。 1.2 课题研究的意义 一个信号的大小或强度一般可以用多种数值来表示，比如有峰值、平均值、有效值等。其中有效值用的最为普遍，有效值是根据电流热效应来规定的，让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻，如果在相同时间内产生的热量相等，那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。信号电压（电流）的有效值又叫方均根值（ RMS)，有效值的定义式如公式 1.1 所示： （ 1.1） 有效值相对比较稳定，不容易受到瞬态值的干扰，可以更真实的反应信号本身的规律，在信号检测及分析中，有效值是经常需要检测及测量的参数
16、，对于信号分析及相关信息的提取具有重要作用 1。 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1991年 ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM技术知识产权（ IP）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品。基于 ARM技术的微处理器应用占据了 32位 RISC微处理器 75%以上的市场份额， ARM技术正在逐步渗入到生活的各个方面。 在信号检测及分析领域， ARM处理器以其速度
17、快、功能强、功耗小等特点得到了越来越广的应用，本课题将基于 ARM处理器开发一套较通用的信号有效值检测模块，具有测量频率范围宽，测量精度高，使用方便，等优点，可应用于多种需要进行有效值测量的场合。 目前，在控制领域及信号采集与信息处理等领 T0 2R M S tuT1V dt）（1 绪论 2 域， ARM处理器的应用越来越广泛。 本课题正是利用 ARM处理器实现信号有效值的检测及测量，研究课题的组成、原理及设计实现方法具有比较重要的实际意义。 1.3 相关技术现状 在本课题的研究及设计过程中综合运用了信号有效值检测技术、 ARM 技术、EDA 技术。现对课题实现的相关技术现状做简要的介绍。1.
18、3.1 信号有效值检测技术 目前，很多测量仪器或设备中，都引入了信号有效值检测功能，在信号测量与检测领域，对信号的有效值检测的研究也比较广泛。目前国内外常用的检测方法有 2： （ 1）根据交流电压的数字表达式或有效值定义式通过软件编程来实现，此方案需要一定的计算量，在 实际的检测实施上需要复杂的硬件电路或软件编程来实现。 （ 2）脉冲宽度检测法。电压波形经过整流后与一较低的基准电压比较，测量出比较后的脉冲宽度，根据该脉冲宽度与电压有效值之间的关系，可以计算出电压有效值的大小。此方案，电路简单，但检测精度较差。因而在要求检测精度较高的场合受到了限制。 （ 3）利用高速 ADC 对电压进行采样，将
19、一周内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得到电压有效值。此方式具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件的难度。 （ 4）对信号进行精密整流并 积分，得到正弦电压的平均值，再进行 ADC采样，利用平均值何有效值之间的简单换算关系，计算出有效值并显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。 （ 5）采用集成有效值 /直流变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。 有效值检测集成芯片将信号处理电路集成在一片芯片上，完成信号有效值的采集，经 A/D 变
20、换后可直接与处理器通信，使用方便，但是价格较高。比较有代表性的有效值检测芯片就是 AD637。在有效值检测领域，使用集 成的数字测温芯片已经逐渐成为一种发展趋势。 1.3.2 ARM 技术 ARM 即 Advanced RISC Machines 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字 3。 1985 年 4 月，第一个 ARM 原型在英国剑桥的 Acorn 计算机有限公司诞生，由美国加州 SanJoseVLSI 技术公司制造。 20 世纪 80 年代后期， ARM 很快开发成 Acorn 的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990 年成立了 Advanced
