基于单片机的相位差在线检测

引言：

在实际工作中, 经常会遇到需要检测两个信号的相位差, 这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。传统的测量方法有很多, 如示波器测量法、转化为时间间隔法、零示法等。随着集成电路技术的发展、单片机的普及, 用单片机组成的相位差测量电路具有精度高、速度快、成本低的优点, 日益受到人们的重视。本相位差测量方法充分利用MCS -51 系列单片机内部精确的时钟源及校正电路, 能进行在线检测、显示,大大提高了相位差的测试精度和速度。

设计目的：使用单片机组建相位差检测系统, 利用单片机内部时钟及定时/ 计数器, 能够对被测信号的相位差进行精确、快速的测定, 可广泛应用于各种实时系统之中。 1． 系统功能的确定

基本要求：

⑴ 能够快速准确的测量出相位差； ⑵ 精度较高；

⑶ 抗干扰能力强，不受被测信号幅值，频率的影响； ⑷ 稳定性较高。 2． 方案论证

2．1方案一

基于异或门的测量方法

两路同频信号经过零比较后，得到两路同周期的方波。该两方波经异或后得到的脉冲宽度与信号周期的比值（占空比）即对应为两信号的相位差，这里的异或门相当于鉴相器。对脉宽信号的处理有以下两种方法。<1> 电压测量法；<2>数字计数法。 2．2方案二

基于函数计算的测量方法 我们先从数学理论上计算相位差，假设信号A 为)cos(1αω+=t A S A ，信号B 为

)cos(2αω+=t B S B 。），其中A,B 分别为信号A 和信号B 的幅度, ω为角频率，1α,2α为信号A

和信号B 的初相位,两信号相乘可得

[])cos()2cos(2

)cos()cos(212121ααααωαωαω-+++=

++=t AB

t t AB S S B A 式中21ααα-=为所求相位差。把乘法运算结果中的二次谐波滤除，只剩下直流分量，设结果为M,可得到

)2arccos(

21AB

M

=-=ααα 此式是从理论上分析求出的相位差，而实际上输入的信号A 和信号B 都是带有各种谐波干扰的。这些干扰信号经过乘法运算之后会部分叠加到所求的直流分量上，因此在信号进行乘法运算之前和之后都要对两路信号进行数字滤波。由于滤波器参数可以根据用户对滤波器性能的要求任意设计，参数精度可得到严格保证，也没有因元件老化而影响精度的问题，

因此可以使滤波环节给相位测量精度造成的影响减到最小。

2．3方案三

基于单片机的相位差在线测量

使用单片机组建相位差检测系统, 利用单片机内部时钟及定时/ 计数器, 、快速的测定, 可广泛应用于各种实时系统之中。

方案选定：

对于方案一：相位差测量方法的测量误差主要来自于对模拟信号的处理过程中，如模拟滤波器在滤除干扰的同时由于元件参数的离散性，测量元件受环境的影响以及元件老化带来的影响都会引入测量误差；又如信号经过比较器时由于比较器门限电压的存在而造成测量误差，这些误差都很难准确估量，也很难消除。传统的相位差测量方法无法应用于要求精度高。

对于方案二：这种方法测量相位差的关键在于如何实现信号的乘法。传统的模拟乘法器存在非线性和不尽如人意的带宽限制。采用数字乘法器在把模拟信号转换成数字信号之后，仍然进行时域上的操作，显得有些舍本逐末。

对于方案三：。随着集成电路技术的发展、单片机的普及, 用单片机组成的相位差测量电路具有精度高、速度快、成本低的优点, 日益受到人们的重视。本相位差测量方法充分利用了MCS-51 系列单片机内部精确的时钟源及校正电路, 能进行在线检测、显示,大大提高了相位差的测试精度和速度。

所以综上所述，我们选用方案三。

3.AT89S51单片机概述

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过几代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压低功耗。

对交通灯控制系统的设计，首先应对交通灯的核心控制芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。

图2.1 MCS-51系列单片机的内部结构示意图

3.1 AT89S51单片机的主要性能参数·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

3.2 AT89S51单片机的主要引脚

下图是AT89S51 单片机的引脚图。

验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

·P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

表2.1 具有第二功能的P1口引脚

端口引脚第二功能