基于MCU+CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现
1 引言
相位检测是电力系统自动控制和谐波分析与控制的关键技术。传统的相位测量是利用过零电路把输入的两路信号(电压或电流)转换为方波信号，再利用逻辑电路和单片机技术对信号某一特殊区段计数和数学变换，求得相位差。随着可编程器件(FPGA，CPLD)的快速发展，目前采用以MCU+FPGA／CPLD为核心的设计理念。这种混合设汁方案利用CPLD在线修改的特点，实现各种复杂数字逻辑设计，结合单片机的控制功能。简化数字电路系统设计，大大缩短系统研制开发周期。本文采用MCU+CPLD设计方法，测量两路信号的相对宽度，充分利用CPLD速度快，单片机控制和数据处理能力强的优势，完成频率和相位差的测量和显示，大大简化了硬件电路，并提高了测量精度和抗干扰能力。
2频率和相位测量原理
频率测量可先测周期T，然后根据公式f=1／T算出频率，这种方法为间接测量。根据测频的误差分析，在f较低场合，f越低T越大。计数器得数N也越大，%26#177;1误差对测量结果的影响减小。具体实现方法是被测信号(正弦)经整形电路后成为方波，用于控制主门的通断，在此期间(一个周期T)外部时标信号TS通过主门，用计数器累计时标脉冲个数。被测信号周期T=NTS，其中TS为时标脉冲周期，N为被测信号一个周期之内累计时的标脉冲个数。相位差△φ对应的时间=N1TS，则△φ=(△T／T)%26#215;360%26#176.
两个频率相同而相位不同的正弦信号u1=Asinwt和u2=Asinw (t+△T)分别送人比较器整形后得到两个方波信号X1、X2。其中X2送入双D触发器的1CLK端，得到图2中的QB波形；同理，利用X1可得到QA波形。最后将QB和QA送人与门74LS11，QB%26#215;QA相与得到时间差脉冲△T，△T与相位差对应(△φ=w△T)。
3硬件电路设计
MCU与CPLD控制模块连接如图3所示，MCU采用8位单片机AT89C51，CPLD选用Altera公司MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15，该器件一共有84个引脚，68个I／O端口，采用EEPROM技术，内含2500个逻辑门，128个宏单元。图3中CPLD模块的%26#215;1、%26#215;2为整形后的被测信号输入端，inclk为外部时标信号输入端，t0、t1端分别与单片机的定时／计数器T0，T1相连，采用单片机内部16位定时／计数器，加上CPLD模块内的8位计数器，可使计数器位数达到24位，以此提高分辨率。P25与读信号RD、P26与RD分别控制两个锁存器74373的数据读取，此外P24、P15、P16分别控制相位和周期的测量。P27与写信号WR控制写显示器，P10、P11、P12、P13、P14用于键盘和显示的控制。单片机P0端口用于从CPLD读取8位计数器数据，另外还用于向显示器写显示数据。
4软件设计
4.1 CPLD控制模块设计
CPLD控制模块的底层没计如图4所示，CPLD控制程序中的变量P2.4、p1.5、%26#215;1、%26#215;2、p2_6、rd、p2_7、wr的数据类型为IN STD_LOGIC；变量p1_6、t0、t1、o1、pout的数据类型为OUT STD_LOGIC；中间变量有f2、f1、j1、j2、q1，q2，其中f2、f1分别与图2中的波形QA、QB表示的端口一致；j1、j2的数据类型std_logic_vector，分别代表图4中两个8位计数器74393的输出；q1，q2分别表示与门7403、7411的输出。根据频率、相位测量原理，测量部分将由CPLD完成，测量结果经单片机运算后存LED上显示。由CPLD完成的相位测量部分程序以下给出相关程序代码。
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