ARM芯片智能多用表设计方案
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作者：PanHongliang
仅供个人学习
《嵌入式系统应用及其开发》课程设计基于ARMLPC2138的智能多用表的设计
院系：电子与信息工程学院班级：电信10?2班
学号：
姓名：
指导老师：
日期：2013-12-27
基于ARMLPC2138的智能多用表的设计计
一、引言
多用表又称为复用表三用表繁用表等，是电力电子等部门不可缺少的测量仪表。一般以测量
电压电流和电阻为主要目的。多用表按显示方式分为指针多用表和数字多用表。一般多用表可测量宜流电流、直流电压、交流电流、交流电压电阻和音频电平等有的还可以测交流电流电容量电感量及半导体的一些参数如B等。
在电子测量和检测领域中，由于多用表具有用途多，量程广，使用方便等优点，多用表已成为电子测量中最常用的一种工具。
本次设汁是在传统多用表的基础上，基于ARM7芯片的智能多用表。设讣的多用表除了提供电压测量、电流测量、电阻测量之外，还添加了示波、频率计功能。以此方便使用者, 提高设备利用率，提高工作效率。
1 ?电压测量
用户可手动将待测电压源连接输入端口，当设备检测到电信号后自动计算并反馈测量结果。
2.电流测量
依据需要，当使用者需要测量电流源的电流时或检测元件连通性时，可以自动计算出电流大小并反馈给用户。
3?电阻测量
当用户需要测量元件的电阻值时，只需将元件接入测试电路即可获得该元件的电阻值。4?频率测量（频率计）
测量信号的频率，必须先对信号整形成为标准的方波。一般地，测量频率或周期的方法有测频法和测周法两种，对于整形后频率较髙的信号，可以采用标准周期的时钟信号作为门限，利用左时器对外部信号进行计数的方式，来确泄被测信号的频率。如果是频率较小、周期较大的信号，采用上述方式显然误差是较大的，此时就可以以整形后信号作为门限，让立时器对标准频率的时钟信号计数达到测量频率的目的。
5?波形显示（示波器）
基于采样原理，采用髙速模/数转换器（ADC）实现髙速数据采集，将模拟信号数字化, 然后借助处理器强大、高速的数据处理能力实现各种数字信号处理算法，将波形以图形的方式直观地显示出来，并能够得到被测信号丰富的各种参数。
二、方案论证
1、现代多用表的原理与特点
多用表中测量电压、电流和电阻部分是基于电压的AD采样技术来实现数据的采集，然后经过一些算法对原始信号进行采集最后在显示屏上显示岀所测量信号的结果。对于温度等其他功能是应用相应的传感器来检测岀对应的物理量并把测量结果显示岀来
2、数字存储示波器的原理与特点
数字存储示波器（DSO, Digital Storage Oscilloscope）采用各种先进的测量技术来满足各种应用。它基于用采样原理，采用髙速模/数转换器（ADC）实现高速数据采集，将模拟信号数字化，然后借助处理器强大、髙速的数据处理能力实现各种数字信号处理算法，将波形以图形的方式直观地显示岀来，并能够得到被测信号丰富的各种参数。
3、A RM7的发展及优点
当前有5个产品系列——ARM7. ARM9. ARM9E. ARM 10和SccurCorc。其中ARM7 系列，优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗，丰富的外用设计等诸多优点成为对很多开发者首选
的硬件平台。
三、需求分析
在现代科技领域当中，电子测量手段一直是电子技术应用与发展的重要课题。在电子测量和检测领域中，由于多用表具有用途多，量程广，使用方便等优点，多用表已成为电子测量中常用的一种工具。而示波器作为一种用来测试、显示被信号的波形和能够记录、存储、处理待研究变化过程波形参数的电子测量仪器，也是被频繁使用的设备之一。
但是由于传统的多用表是只能测量电压、电流和电阻，功能比较单一，并且多用表和示波器独立开来，实际使用中存在不便。因此设计者希望有一款仪器既能够提供多用表的测量功能又能够提供示波器的波形分析功能，以此方便使用，提高效率。
基于以上需求，本次设计的智能多用表是集示波器、频率计、万用表功能于一体的新型多用表。
硬件需求分析
设计的多用表作为一个髙性能的测量仪器，不仅要满足使用者方便快捷，准确可靠的要求还要求系统要具备处理大量数据的能力，尤英是要作一些相应的数字信号处理，更是要求处理器应具备强大的运算能力，并且接口要足够丰富以满足外国设备的需要，并且要在性能和功率上有所平衡。
综合以上需求，最终我们选用发展成熟，具有较高的数据处理能力的ARM嵌入式系统作为本设计的核心。并且ARM-LPC2138,有以下特点：
?采用64脚封装（可使用的GPIO在单片应用时高达47个，完全能够满足各种应用）。?片内外设丰富，大大的简化了我们的系统设计。
?外部总线是开放的，能方便地扩展外部存储器。
?通过外部总线控制器（EMC）也可以方便、髙速地控制LCD控制器。
?较小的封装和极低的功耗。
由于LPC2138的诸多优点完全满足我们的需要，所以最终选择使用LPC2138作为本设计的核心。
显示需求分析
使用者对于设汁的智能多用表要求能够直观、快捷获取测量图形或者数值，并且由于选择用的LPC2138有很好的外部总线设计，可以方便的控制LCD显示。
为了满足使用者的显示需求且与我们选左的硬件平台匹配，本设计的智能多用表采用的显示屏是256*128大小的液晶屏，采用5V电源供电。
为了方便用户使用，LCD显示主要有波形显示、频率、唸唸值，还有所测虽:电流和电阻大小数值等六部分组成。波形显示区域共有120兮2个点，其中X轴120个点，Y轴32 个点。频率、幅值、电流大小和电阻大小以汉字形式显示出来。
测量需求分析
作为一款电子测量中常用的测量仪器，使用者通常需要智能万用表能有较大的量程，快速的测量响应，准确的波形显示。这些需求本质上是对设计的智能万用表的数据采集/处理能力有较高要求。
基于这个需求，我们把数据采集系统作为设计多用表的核心部分，通过模拟电路采集模拟信号经过模数转换器完成模拟信号到数字信号的转换，最终将转换成的数字量存入缓存器，由ARM 读回进行计算处理，最后送去显示。
依据以上需求设计流程如图1。
四. 总体设计
本设计采用ARM核心的LPC2138处理器作为本智能多用表的嵌入式系统微处理器, 其系统整体结构如图2。
图2智能多用表整体结构
本次所设计的智能多用表含有多用表和数字存储示波器的功能，数字存储示波器共有一个通道CHe图2是本智能多用表的整体结构框图，从该框图可以看出，除微控制器外，智能多用表主要由模拟通道、数据缓冲、模数转换、存储器扩展和人机交互接口组成。输入的模拟信号经过模拟通道的处理后经由模/数转换器转换成数字信号.再由微控制器处理。
各个部分都有相应的功能模块电路构成，详细功能框图如图3.
图3智能多用表详细功能框图
如图3所示为智能多用表的测量基本原理框图。本图中主要由按键开关电路、各种转换电路、频率测量电路、衰减/放大电路、模拟数字转换器和液晶显示电路组成，苴中衰减/放大电路和模拟数字转换器是本系统的核心。本系统由LPC2138来实现对各个功能单元的操作与控制，输入的被测信号先是经过衰减/放大电路，然后再通过按键开关分三路分别送入AD采样单元，由微控制器发送相应的控制字来控制各个参数的测量，并在测量完后进行数据处理和在液晶显示屏上显示。
五、详细设计
电源电路设计
电源是整个系统的能源提供者，电源性能的好坏直接关系到整个系统的成败。由于本系统不但含有数字电路，还含有模拟电路，尤其是含有对噪声极为敏感的A/D转换器件，所以模拟电路与数字电路应该单独供电，这样才能降低噪声和出错几率
模拟电源和数字电源的的前端都是通过变压器经桥式整流后提供的，此部分电路如图
4.
图4变压器桥式整流电路
通过变压器经桥式整流后的电压源与ARM芯片相连，如图5.
图5电源电路原理图
输入电路
经过模拟电路釆集到的模拟信号，即测量的电压/电流/电阻值进过模数转换器转换成数字信号，再将转换好的数字量通过ARM芯片的通信端口送入进行处理，英原理如图6?
图6输入电路
注：英中电压量程为400~400V,精度0.01V。电流量程为-5A~5A,精度为0.01A。电阻疑程为
0~20K,精度为1。示波器带宽10MHz,本设讣所采用的ADC最髙的采样速率为500KSPS, 要避免频率混迭，则输入信号的频率不能超过250KHzo
输出电路
测量的数据进过模数转换，经由ARM处理后从LPC2138显示控制器端口输岀送到LCD 显示，其中LCD由电压源供电，额定电压5V,大小为256x128像素。电路如图7。
图7输岀电路
注：LCD显示主要有波形显示、频率、峰峰值，还有所测量电流和电阻大小数值等六部分组成。波形显示区域共有120*32个点，其中X轴120个点，Y轴32个点。频率、幅值、电流大小和电阻大小以汉字形式显示出来。
电阻电流测量电路
这两个功能模块是传统多用表的部分功能的实现，这个部分的电路我们自己设计了一个非常简单的电路，如下图&9所示：
图8电阻测星电路
图9电流测星电路
复位电路
LPC2138复位端口为低电平有效，本电路设计如图10所示。
图10复位电路
注：当开关S闭合时，ARM复位端口输入低电平完成复位功能。
存储电路
使用LPC2138内部存储空间存储数据，最终送到LCD显示。内部存储如图11?
图11存储电路
六、总结
经过两个多星期的努力，我终于设讣出了一个智能多用表。开始构思到査阅相关的资料，我们都在不断的通过理论与实践，最后终于把一个智能多用表设讣出来。由于关于智能多用表的需要考虑的问题很多，因此设汁一直很缓慢，但是通过孙晓杰老师的认貞?指导，和同学之间
相互交流，最终设汁出了智能多用表，而且在这段时间也让我学习到了因如何去了解一种新的领域的方法。
本设计主要介绍了本设计的功能特点、需求分析、总体设计、详细设计，并且都做了简单的介绍。在本系统设计中涉及了很多的算法，也需要编写大量的程序，限于能力，所以对其介绍没有大量的代码设计。
在整个研究开发过程中，我始终保持着认真、细心的态度，将理论联系实践，并用实践来证明我的构思，不断提髙自己的硬件系统设计和软件设计的能力，就因为这样我在最后终于看到自己的劳动有了成果。然而，我知道我所完成的仅仅是貞?实设讣工作的很小一部分，智能多用表的各项技术指标的还需提高、诸多功能的完善还需要进一步的研究和开发。此外在完成基本功能的基础上，还需要努力提高软件的效率、硬件系统的稳左性、降低功耗等。可以说，剩下的工作量是相当大的，这还需要我们日后的不断努力。
最后感谢孙老师的耐心指导，让我明白只有考虑周全、踏实用心的去做每一件事才能有收获。也为以后走出校门工作提供了参考。
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