基于单片机的相位差测量系统的设计

荣雪琴

(1.苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215104；2.苏州工业职业技术学院电子工程系，江苏 苏州 215104)

利用一些常用的仪器进行波形检测，往往只能测量波形的幅度、频率以及观察两个波形的相对位置，所测的相位差误差大，并且需要经过计算。本文以单片机为核心，设计了一款相位差测量系统，其具有硬件电路简单、测量精度高、显示直观等优点，有一定的使用价值。

1 系统设计方案

系统的总体设计框图如图1所示，主要由信号检测电路、单片机AT89C51和LED数码管显示等3部分电路组成。信号检测电路，完成对两个正弦波信号的周期T和时间差Δt的检测；单片机完成对信号检测的控制，把检测到的信号转换成相位差φ，并且转换成数码管所能显示的字型代码后，从单片机的串行口送出；显示电路，采用3片串并转换芯片74LS164进行输出端口的扩展，然后在74LS164的输出端各接一个数码管，用于显示相位差。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 信号检测电路

信号检测电路由1片双电压比较器LM393和2片双D触发器74LS74等组成（如图2所示），完成两个被测信号的时间差和周期的检测，在AT89C51单片机的控制下，可以实现准确的测量。

（1）零点的检测。由LM393等电路组成的零点检测电路，分别用以检测A、C两点输入的两路交流信号的零点。以两路正弦信号为例，在A、C两点输入两个正弦信号，当输入信号大于零时，分别在B、D两点输出高电平；当输入信号电压小于-5×（10K/330K）V时，分别在B、D两点输出低电平。因此在B、D两点输出两个与输入的正弦信号相对应的方波信号，由于方波信号的上升沿，正好对应输入信号的由负变正的零点时刻，所以时间差信号和周期信号的检测采用上升沿测量，可以提高测量的精度。

图2 信号检测电路

（2）周期信号的检测。由图2中下面两个D触发器在单片机P1.2和P1.3控制下，完成A点输入的被测信号的周期T的检测。P1.2接D1、D2两个触发器的清零端，同时也是 D2触发器的输入，P1.3与Q2相连接。P1.2是由软件控制其为高电平或低电平，P1.3是软件对其电平进行查询的。开始进行检测时，首先使P1.2为低电平，两个D触发器的清零端有效，此时输出Q1和Q2都为低电平0；当P1.2由0转为1并且B点信号由0变为1时，输出Q1由0变为1，输出Q2仍为低电平0；当B点信号第二次由0变为1时，输出Q1又由1变为0，同时输出Q2也由0变为1。当单片机检测到P1.3为高电平时，意味着一次检测完成，同时使P1.2清零，为下一次检测做准备。输出Q1正好对应输入信号A的周期T，将这个周期信号接到单片机的外部中断1引脚上。

（3）时间差信号的检测。由图2中上面两个D触发器和一个与门在单片机P1.2的控制下完成A、B两个正弦信号的时间差Δt的检测。当P1.2为低电平0时，两个D触发器的清零端有效，使得输出 Q3和Q4都为低电平0；当P1.2为高电平1并且B点信号由0变为1时，输出Q3由0变为1，由于此时D点信号仍为低电平0，使得触发器D4的脉冲信号无效，所以输出Q4仍为低电平0；当D点信号由0变为1时，输出Q4由0变为1，从而与门的输出由1变为0，触发器D3的清零端有效，使输出Q3由1变为0，这样就完成了A、B两个正弦信号的一次时间差的检测，输出Q3即为时间差信号Δt，将这个时间差信号接到单片机的外部中断0引脚上。

2.2 显示电路

显示电路由3个单个数码管和3片74LS164构成（如图3所示）。所需显示的3位数字的字型码，由串行口的接收端P3.0输出，串行口的发送端P3.1输出同步移位脉冲，P1.0控制3片74LS164的清零端，单片机的串行口工作在方式0，只要将需要显示的3位数字的字型码从串行口输出，就能在3个数码管上稳定地显示出来。

图3 显示电路

（1）串行输入并行输出移位寄存器74LS164。74LS164为8位移位寄存器，与单片机的串行口组成扩展输出端口的电路。当清零端（CLR）为低电平时，输出端（D0～D7）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据输入。当 A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CK）脉冲上升沿作用下D7为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CK上升沿作用下决定D7的状态。左边的74LS164的输入端A/B接单片机的P3.0用于接收串行口发送的数据，中间和右边的74LS164的输入端分别接各自左边的74LS164输出的最低位D0，P3.1用于输出同步脉冲，在P3.0每输出一位数据时，P3.1同时输出一个同步脉冲信号，在同步脉冲的作用下，将输入数据从左边的74LS164的D7输出，原来的D7～D0的数据依次向右移一位，这样当3个8位的字型码发送完，先发送的在最右边的74LS164的D7～D0输出，后发送的在左边的74LS164的D7～D0输出。

（2）数码管。数码管内部由7个条形发光二极管和1个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。常见数码管有10根管脚。其中COM为公共端，根据内部发光二极管的接线形式，可分为共阴极和共阳极两种。使用时，共阴极数码管公共端接地，共阳极数码管公共端接电源。每段发光二极管需5～10mA的驱动电流，才能正常发光，一般需加限流电阻控制电流的大小。

本系统采用3个单个共阴极的数码管，工作在静态显示方式。将3个数码管的公共端都接地，其余8个输入端分别接74LS164的8个输出端，每当串行口发送3个字型码时，数码管就能稳定地显示出两个被测信号的相位差。

3 软件设计

系统的软件主要完成对时间差信号和周期信号的检测的控制和采集，并通过计算转换成两个被测信号的相位差，再通过查表转换成相对应的字型码，利用串行口将其发送。

3.1 相位差的测量

根据相位差的定义，两个周期同为T的正弦信号，其相位差Φ与时间差Δt和周期T的关系为：Φ=（360°/T）Δt，在单片机控制下，信号检测电路可以精确地测出T和Δt，从而可以计算出相位差Φ。

使用单片机内部的定时器/计数器T0、T1分别测量Δt和T。将T0和T1设为内部定时方式（C/T軈=0），工作方式选择方式2（M1M0取10），门控位选择软件与硬件共同启动（GATE=1），因此方式控制字为AAH；定时器/计数器T0、T1的初始值选择00H；定时器/计数器T0、T1都工作在中断方式，因此要开放定时器T0和T1的中断（EA=1，ET0=1，ET1=1）。以Δt的检测为例，将TR0置1后T0是否计数，取决于外部中断0引脚上的信号，当外部中断0引脚上的信号由0变为1时，T0开始计数，计数器计满时触发中断，在中断服务程序中，使用内部寄存器R3记录中断次数，当外部中断0引脚上的信号由1变为0时，停止计数。因此只要将Δt信号接在外部中断0引脚上，就可方便地求出以微秒为单位的Δt的数值，若晶振频率为 12MHz，即 Δt=R3× 28+（TL0）。

同理，将T信号接在外部中断1引脚上，就可方便地求出以微秒为单位的T的数值，即T=R5×28+（TL1），R5为记录T1的中断次数。

采用这种方法测量T和Δt的最大绝对误差为1μs，主程序的流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 显示子程序

显示子程序完成将计算出的相位差Φ转换成相应的字型码，然后再将其发送，就能在数码管上显示出来。代码转换时只需要定义一个0～9的字型码表，利用查表指令，将计算出来的相位差查出相应的字型码，并存放在内部RAM的3个存储单元。在进行串行发送的时候，首先将74LS164清零，设置发送字节数R7为3，串行口工作方式为方式0，因此SCON为00H，接着就可以启动串行口发送，等待一帧数据发送完后，清除发送中断标志位，再取下一个发送的数据，直到3个数据发送完。

4 结束语

相位差是交流信号的一个重要参数，采用AT89C51单片机作控制器，可充分利用单片机片内的硬件功能和CPU处理功能。此测量方法具有硬件电路简单、测量精度高、显示直观等优点，具有一定的使用价值。

[1]刘文涛.MCS-51单片机实用教程[M].北京：原子能出版社，2005.

[2]刘训非.单片机技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]任中民.数字电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.