第四章 系統架構
4.1 硬體架構
本節將針對前述 PC 之外的三個區塊，說明其組成元件的型號。
4.1.1 前置信號處理區塊
圖 4.2 為前置信號處理區塊電路，明其組成元件說明如下：
圖 4.2 前置信號區塊電路 一、霍爾 IC
型號為 HY-5P(閉路型)，規格如下：
1.輸入部份：
(1)一次測負載電流(有效值)：5A (2)電源供應( 5%± )： 15V±
2.輸出部份：
(1)負載電阻R =10KO ，溫度L T =25 °A C 時，輸出電壓： 4V± (2)輸出電流(最大值)：10mA
(3)溫度T =25 °A C 時精確度：≤ ±2%
3.精確度與動態性能：
(1)溫度T =25 °A C 時，零偏移電壓(Zero offset voltage)：最大值 40mV±
(2)偏移電壓溫度漂移(Thermal drift of offset voltage)：典型值±1.5mV/K， 最大值±3 mV/K
(3)響應時間：< 3µsec
(4)電流變換率(Rate of change of current)：> 3 0 A/µsec (5)頻率範圍：≤25 kHz
4.操作條件：
由資料中可得其電流與電壓的轉換比為V=4=0.8
I 5 ，為了更確定電流與電壓的 轉換比，因此實驗並取得下列數據：
W V I R 霍爾 IC
0 111.3 0 ∞ 0V
25 111.1 0.202A 548 0.164V 50 110.5 0.408A 271 0.334V 75 111.4 0.614A 181 0.488V 100 110.0 0.814A 135 0.656V 125 109.7 1.017A 108 0.824V 150 109.3 1.220A 89 0.983V 200 108.9 1.672A 65 1.362V 250 108.2 2.248A 48 1.854V 300 107.6 2.638A 41 2.180V 400 106.6 3.458A 31 2.851V 500 105.5 4.249A 25 3.512V 550 105.7 4.635A 23 3.83V 可得其在 5A 內的電流與電壓的轉換比為一線性，轉換比V 0.818
I ≈ ，與理論值 0.8 相近。以電流為橫座標，電壓為縱座標繪出 V-I 關係如圖 4.3。
圖 4.3 電流與電壓轉換比
二、比壓器(PT)
比壓器型號為 PT-12，中信變壓器，一次側電壓為 110V，二次側壓有 3V、4.5V、
6V、9V、12V 五種變壓比，二次側輸出電流最大值為 1.2A，其頻率響應一般均大 於 3 kHz[17]。
三、運算放大器(OP)
放大器 OP 之型號為 TL071CP，規格如下：
(1)電源供應： 18V± (2)輸入電壓差： 30V± (3)輸入電壓： 15V±
(4)電壓增益與頻率響應之關係：如附錄 1 所示 (5)電壓增益與相位之關係：如附錄 2 所示
比壓器主要的功能是降壓與負載隔離 ，將市電之電壓由Vrms=110V 降為 Vrms= 3 V ，再以一反相加法電路將整體的電壓降低至 0V 以下。此時的電壓相位與 真實的電壓信號相差 180°，所以須再加上一反相放大器使其再反相一次，如此才 能與真正的信號相位一樣。另外必須調整加法器上的電阻值，使輸出電壓在 DSP 所能接受 0~3.3V 的範圍內，如此的電壓信號方可接至 DSP 之 A/D 轉換腳。由圖 4.2 中電壓信號與 DSP 之 A/D 端接觸的腳位上，設計有一齊納二極體(Zener Diode)，
目的是為防止電壓大於 DSP 所能接受之 3.3V 時，保護 DSP 之安全。
4.1.2 中央信號處理區塊
本系統採用德州儀器(TI)公司型號 TMS320LF2407A 之 DSP 為本系統之核心，
負責資料取樣與運算，其規格如下：
1.指令週期 25ns(40 MIPS)
2.TMS320C2xx DSP 的 CPU 核心：程式碼和 F24x 相容
3.內部記憶體：ROM(32K words)、DARAM(544 words)、SRAM(2K words) 4.外部擴充記憶體：ROM、SRAM 及 I/O 最多可擴充至各 64K words 5.開機(Boot)ROM：可由 SCI 及 SPI 讀取 256 words 開機程式 6.一般用途輸出、入接腳(GPIO)：41 支，可獨立程式化 7.外部中斷源：有重置、2 個功率驅動保護及 2 個可遮罩中斷 8.通用計時器：4 個 16 bit 計時器，提供事件管理 EVA 與 EVB 9.PWM 輸出：16-bit 和 16 個通道
10.捕捉器(Capture)單位：提供事件發生時的時間取樣，內含兩組光學編碼器
500nsec
13.串列傳輸界面(SCI)模組：用於 UART 連線 14.串列周邊界面(SPI)模組：可設定 16-bit 傳輸
15.控制陣列網路(CAN)：為 2 bytes 模組，可應用於工業網路控制 16.鎖相迴路( PLL : Phase-Locked-Loop):可控制時脈的倍頻 17.電源管理:三種省電工作模式,可控制周邊電路的省電管理 18.JTAG 界面提供模擬器即時的監控,為 IEEE 1149.1 標準 19.開發工具：ANSI C 編譯器及組合語言/連結器等
此顆 DSP 為發揮強大的功能，必須選擇適當的開發系統，包括 DSK、 eZdsp 與 EVM 三種[16]。
1.DSK 板具特性包括：
(1)操作在 30MIPS
(2)16K words 程式記憶體、16K words 資料記憶體、16K words Flash ROM 作為程 式記空間
(3)7.3728MHz 晶體震盪器
(4)3 個擴充連接槽(類比、I/O、擴充) (5)JTAG 介面，RS-232 介面
2.eZdsp 模組特性包括：
(1)操作在 30MIPS
(2)32K words 程式記憶體、32K words 資料記憶體、32K words Flash ROM 作為程 式記空間
(4)7.3728MHz 晶體震盪器
(5)3 個擴充連接槽(類比、I/O、擴充) (6)JTAG 介面，Printer 介面。
3.EVM 模組板包括：
是由若干個主要邏輯區塊組合而成，如附錄 3 所示[27]，其印刷電路板實 體，如附錄 4 所示。其硬體相關規格如下：
(1)LF2407 外部記憶體：2K words 程式記憶體、32K words 資料記憶體、32K words Flash ROM 作為程式記空間
(2)數位轉類比介面：DAC7625，4 個通道，12bit，轉換完成時間 10µsec (3)在晶片上的串列介面
(4)4 個 LED 和 4 個開關
(5)在晶片上的控制陣列網路(Control Array Network, CAN)介面
(6)串列開機 ROM/串列周邊(Serial peripheral Interface, SPI)邏輯介面 (7)擴充介面：I/O、類比、位址/資料、控制介面
(8)JTAG 介面：XDS510/XDS510PP 模擬埠，IEEE 1149.1
由以上的說明可知，DSK 是 3 種發展工具中在硬體的搭配上是為最簡單，因此 價格也是三種中最低的；eZdsp 的硬體設施與價格都比 DSK 高一等；而 EVM 功能最 完備，所以在價格上是 3 種中最高。EVM 較常應用於工廠研發新產品時，在開發階 段時期使用，且該顆 DSP 若發展完成後，可直接從 EVM 模組板上拔起來，經適當 的軟、硬體的設計，就可以獨立的工作，EVM 模組板仍可繼續燒錄其他顆同型號之 DSP。
4.1.3 使用者介面區塊
此為人機溝通的介面，其中有兩項，一為作輸入功能的鍵盤，另一是作輸出 功能的 LCD 顯示器，這兩項的功能與規格詳述如下。
一、鍵盤
16 鍵的鍵盤配置如圖 4.4 所示。針對本系統各項功能，所需之操作如下：
(1)電力參數量測─應先設定電流範圍，即鍵盤中第 4 列第 2 行到第 4 列第 4 行，
此時按其他按鍵不會有任何動作。在設定電流範圍之前，電流旋鈕開關應先旋 轉到定位。量測的負載電流範圍可由 0~5A，當設定完成後，即開始進行量測。
量測完成後，若無按下任何鍵，會見到電壓波形，此時表示已完成量測動作。
(2)波形量測─若按Vwave鍵，可觀測到電壓波形，即量測完成後第一次見到的圖 形。若按Iwave鍵，可觀測到電流波形。
(3)閃爍量測─若按Vflicker鍵，可觀測到 128 週電壓有效值與? V 或電壓閃爍之頻10 譜能量圖形與數值。
(4)諧波量測─若按Vharmonic鍵，可觀測到電壓頻譜圖形或數值。若按Iharmonic鍵，可 觀測到電流頻譜圖形或數值。
(5)電力參數量測─若按數位電力計(Digital Power Meter, DPM)鍵可觀測到視 在功率、有效功率、虛功率、功率因數、電壓有效值、電流有效值、總電壓諧 波失真因數、總電流諧波失真因數。
Vwave Vharmonic Vflicker
Iwave Iharmonic DPM
0~0.5A 0~2.5A 0~5A
二、LCD 顯示器
LCD 顯示器分為三種，一是純粹顯示文字，市面上的文字型 LCD 可分顯示中文 和顯示英文兩種，最常見是顯示英文文字的，可顯示文字有 8*2 共 16 共英文文字，
16*2、16*4、20*2、20*4、24*2 等；二是純粹顯示圖形，顯示器解析度有 122*32、
128*64、128*128、240*128 點等；三是可顯示文字與圖形，有 240*128、320*240 等。本論所使用的為第三種，型號為 LMG-SS24B12，顯示器解析度為 240*128 點，
內建 SRAM 為 8K Bytes，此 LCD 的好處在於使用者可依自己想要觀看之格式而作不 同的規劃。
LCD 的匯流排有兩個部份，一是信號控制匯流排；二是資料匯流排(Data Bus)，
此兩者的控制必須依照 LCD 顯示器廠商所提供之控制時序圖與資料流程圖。由圖 4.1 知使用者介面區塊是由 DSP 與 LCD 做連接，DSP 將使用者欲得知之電力參數以 LCD 顯示出來，此時 DSP 需發出一信號通知 LCD 有資料要傳輸到 LCD 顯示器顯示，
那麼 LCD 會先做一檢查確認的動作，確認現在 LCD 是否可以接收資料，則 LCD 會 傳送一旗標信號到 DSP，告知 DSP 是否能夠傳送資料到 LCD 上，流程如圖 4.5 所示。
信號控制與資料傳輸詳細步驟如下：
(1)檢察狀態是否允許寫入 (2)若可，則傳送低位元組位址 (3)檢察狀態是否允許寫入 (4)若可，則傳送高位元組位址 (5)檢察狀態是否允許寫入
(6)若可，則告知 LCD 此位址指標設定已完成，送 24H (7)檢察狀態是否允許寫入
(8)寫入欲顯示的資料到 LCD 上，此資料將寫入步驟(2)、(4)所設定的位址內 (9)檢察狀態是否允許寫入
(10)告知 LCD 此資料已寫入完成，送 C0H
經以上討論可知 LCD 與 DSP 之間，不只是單純的一個發射一個接收，而是屬 於雙向的溝通，如此問題出現了，DSP 的電壓準位是 0~3.3V 而 LCD 的電壓準位是 標準的 TTL 電壓準位為 0~5V，這是對於信號控制匯流排的處理；而資料匯流排則 比較單純，其資料的傳遞方向僅由 DSP 傳到 LCD。
就信號控制匯流排的問題作一說明，若今信號由 DSP 傳到 LCD 是沒有問題，
因為 DSP 若送 Lo=0V 到 LCD，則 LCD 接收到的亦為 Lo=0V，若 DSP 送的是 Hi=3.3V，
則 LCD 接收到的亦為 Hi=5V；若今信號是由 LCD 傳到 DSP 上則會有問題，因為 LCD 若送 Lo=0V 到 DSP，則 DSP 接收到的亦為 Lo=0V，若 LCD 送的是 Hi=5V，則 DSP 接 收到的亦為 Hi=5V，此 5V 大於 DSP 所能接受的 3.3V，結果將使得 DSP 燒毀。
為因應這樣的問題，所以必須要設計一電壓準位轉換的電路，來轉換電壓準 位，使其可以 0V 與 0V 互相轉換，5V 與 3.3V 互相轉換，依此目標可用雙向緩衝器 (Buffer)來實現，如圖 4.6 所示。若 DSP 將信號送到 LCD 時，此時 DSP 之 EN 腳送
Hi=3.3V；若 DSP 接收 LCD 傳來的信號，此時 DSP 之 EN 腳送 Lo=0V。
STATUS CHECK1
LOWER ADRS DATA
STATUS CHECK1
UPPER ADRS DATA
ADDRESS POINTER SET 24H
STATUS CHECK1 STATUS CHECK1
WRITE DATA SET
STATUS CHECK1
DATA WRITE C0H DATA WRITE
START
圖 4.6 電壓準位轉換電路
另外，在資料匯流排方面，若直接將 DSP 與 LCD 連接，則 DSP 完全當輸出，
LCD 是完全當輸入；也就是說當 DSP 傳遞 Lo=0V，則 LCD 亦接收 Lo=0V；若 DSP 傳 遞 Hi=3.3V，則 LCD 亦接收為 Hi=5V。若直接將 DSP 的接腳與 LCD 的接腳連接在一 起，則會發現 DSP 的接腳會發生過熱的現象，時間一久有可能導致 DSP 之該輸出 埠燒燬。此原因在於一般微處理機之輸出、入埠(I/O)有兩種形式的輸出，一為沉 入(sink)，一為發源(source)。所謂沉入指的是，當設計者決定要將某接腳當作 輸出時，則只可作低態動作，因其無推動負載的能力，只可靠電源來推動負載，
如 8051 就是此類，圖 4.7 為沉入電路。所謂發源指的是，當設計者決定要將某接 腳當作輸出時，則其不只可作低態動作亦可能作高態動作，因其俱推動負載的能 力，所以無靠電源來推動負載，如 PIC、AVR、DSP 等，圖 4.8 為發源電路。
圖 4.7 沉入電路
圖 4.8 發源電路
既然 DSP 本身俱有發源的能力，為何還會發生 DSP 輸出埠過熱甚而燒毀的情 況呢？原因不外乎，只要是發源這類的微處理機，其同一時間內，同一個埠所能 提供的電流量是有限的，因此當其同一個埠，同一時間內推動的負載所消耗的電 流量過大時，將會發生該埠過熱或燒燬。有鑑於此，在設計上使用一緩衝器在 DSP 與 LCD 間，如此當 DSP 輸出為 Hi 時，緩衝器輸出亦為 Hi，但推動 LCD 的電流卻是 由緩衝器提供，即可解決此問題，如圖 4.9 所示。
圖 4.9 DSP 與 LCD 資料匯流排經緩衝器連接情形