專利名稱：數(shù)字萬用表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量儀表，尤其涉及一種用于測量電氣參數(shù)且可實現(xiàn)語音播報的數(shù)字萬用表。
背景技術：
數(shù)字萬用表在電氣測量領域廣為應用，目前人們使用的數(shù)字萬用表的測量結果多是以數(shù)字顯示方式輸出，這就要求使用者必須用眼睛觀看測量結果，因此使用者須一邊測量一邊觀看測量結果，這樣不但會使使用者分心使測量產(chǎn)生誤差，還可能造成測量短路，從而對人體產(chǎn)生傷害或使設備毀壞。另外，當測量點較多或分布較密時，測量效率必將大受影響。因此，現(xiàn)有技術中提供一種無需觀看就可以知曉測量結果的萬用表。申請?zhí)枮?6229006.8，名稱為“具語音報讀數(shù)功能的數(shù)字萬用表”的中國實用新型專利文獻中就公開了一種通過語音播報測量結果的數(shù)字萬用表，該數(shù)字萬用表由功能開關及輔助電路、A/D轉換器、微處理機、LCD顯示器、語音ROM及功率放大電路、語音輸出裝置和功能選擇/執(zhí)行開關組成，其中微處理機、語音ROM是專用芯片，借助功能選擇/執(zhí)行開關，使萬用表具有多種功能，如測量值的多種讀數(shù)模式。這樣的數(shù)字萬用表使得測量者能夠集中注意力進行測量，而不必分心觀察測量結果，有效保障了使用者的人身安全及設備安全，且可實現(xiàn)精確測量。但是，上述公開的數(shù)字萬用表，其所包含的A/D轉換器、微處理機、語音ROM及功率放大電路均為分離的芯片，這樣組合而成的數(shù)字萬用表集成度、可靠性均較低，而且體積較大、成本較高，并且不支持串口通訊、測量結果的打印輸出等功能。
實用新型內容為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種集成度高、可靠性高、體積小、成本低且可實現(xiàn)語音播報的數(shù)字萬用表。
本實用新型提供的數(shù)字萬用表，包括功能選擇電路、量程轉換電路、LCD電路、電源，并且還包括具有模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及片內存儲器的微控制器；其中，被測量、功能選擇電路、量程轉換電路及微控制器的模/數(shù)轉換器ADC依次串聯(lián)并產(chǎn)生數(shù)碼測量結果經(jīng)由LCD電路輸出；該數(shù)碼測量結果通過數(shù)字信號處理器DSP處理產(chǎn)生播報測量結果的數(shù)字聲音數(shù)據(jù)，再經(jīng)由數(shù)/模轉換器DAC轉換為連續(xù)的語音模擬量信號輸出。
所述量程轉換電路和所述模/數(shù)轉換器ADC組成量程自動轉換電路。
所述微控制器為凌陽公司16位單片機SPCE061A。
所述微控制器的片內存儲器存儲有合成語音的音素庫，其采用TTS(文本-語音轉換)技術合成。
所述LCD電路的驅動方式為二分之一偏壓或三分之一偏壓。
本實用新型提供的數(shù)字萬用表還包括與數(shù)/模轉換器DAC依次串接的驅動電路和音頻輸出電路，語音模擬量信號經(jīng)放大驅動后輸出給音頻輸出電路實現(xiàn)語音播報測量結果。
本實用新型提供的數(shù)字萬用表還包括自動關機電路，電源通過自動關機電路為微控制器提供工作電壓，當數(shù)字萬用表待機時間超過預先設定值時，切斷連接到微控制器的電源。
本實用新型提供的數(shù)字萬用表采用具有模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及片內存儲器的微控制器，例如SPCE061A作為其控制部件，而不采用分離元件的模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及語音ROM，因而具有電路集成度高、可靠性高、體積小、成本低等特點。另外，本實用新型的量程轉換電路和模/數(shù)轉換器ADC組成量程自動轉換電路，其能夠進行量程的自動識別，且微控制器的片內存儲器存儲有合成語音的音素庫，可實現(xiàn)測量結果的多種語言的語音播報，并且該數(shù)字萬用表能夠同上位機進行通訊，智能化程度也較高。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。


圖1是本實用新型的電路原理框圖；圖2是本實用新型實施例的電路框圖；圖3是圖2所示實施例的功能選擇電路的觸頭及其編號圖；圖4是圖2所示實施例實現(xiàn)功能選擇電路位置判斷的電路；圖5是圖2所示實施例所采用的74HC4051邏輯結構原理框圖；圖6是圖2所示實施例的量程自動轉換的電路圖；
圖7是圖2所示實施例中數(shù)字萬用表與上位機通訊的電路圖。
具體實施方式
本實用新型提供的數(shù)字萬用表，主要由功能選擇電路、量程轉換電路、LCD電路、電源和帶有模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及片內存儲器的微控制器構成。該數(shù)字萬用表的量程轉換電路和微控制器內部的模/數(shù)轉換器ADC構成了量程自動轉換電路。
以下結合附圖來詳細說明本實用新型的具體實施方式
。
圖1是本實用新型數(shù)字萬用表的原理框圖。本實用新型提供的一種數(shù)字萬用表由功能選擇電路4、量程轉換電路5、電源1、自動關機電路2、LCD電路9、驅動電路7、音頻輸出電路8及微控制器3組成。電源1通過自動關機電路2連接微控制器3的VDD管腳，為微控制器3提供工作電壓，當數(shù)字萬用表待機時間超過預先設定值時，切斷連接到微控制器3的電源。被測量通過數(shù)字萬用表的表筆連接功能選擇電路4，功能選擇電路4同時與量程轉換電路5連接，量程轉換電路5與微控制器3內部的模/數(shù)轉換器ADC共同構成量程自動轉換電路6，在微控制器3的控制下，測量值通過功能選擇電路4和量程轉換電路5輸入到微控制器3中，通過微控制器3內部的運算處理產(chǎn)生數(shù)碼測量結果，該數(shù)碼測量結果通過LCD電路9顯示輸出；或微控制器3根據(jù)測量結果逐步從音素庫中取出壓縮過的音素數(shù)據(jù)，通過DSP運算進行解壓縮及合成處理后產(chǎn)生播報測量結果的數(shù)字聲音數(shù)據(jù)，這些數(shù)字聲音數(shù)據(jù)又逐一經(jīng)過微控制器3內部的數(shù)/模轉換器轉換為連續(xù)的語音模擬量信號后經(jīng)驅動電路7放大驅動后輸出給音頻輸出電路8實現(xiàn)語音播報測量結果。數(shù)字萬用表可以測量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、電阻、電容、三極管放大倍數(shù)、二極管及線路通斷等電氣參數(shù)。功能選擇電路4用于選擇被測量，以確定具體的被測量為上述哪一種電氣參數(shù)；量程轉換電路5用于選擇測量的量程范圍；電源1用于為該數(shù)字萬用表提供工作電壓；驅動電路7和音頻輸出電路8用于語音播報測量結果；LCD電路9的驅動方式可為二分之一偏壓或三分之一偏壓，其用于測量結果的顯示。微控制器3用于控制選定功能和量程以及將輸入的被測量進行模/數(shù)轉換和運算處理，并輸出測量結果。
請一起參閱圖2，其是本實用新型實施例的電路框圖。本實用新型數(shù)字萬用表的微控制器采用具有模/數(shù)轉換ADC、數(shù)/模轉換DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及片內存儲器的臺灣凌陽科技公司的SPCE061A芯片，其是16位μ’nSPTM內核微處理器，具有2K字SRAM和32K字FLASH程序存儲器，工作電壓在2.6V到3.6V范圍內時的工作速度范圍為0.32MHz到49.152MHz。SPCE061A芯片可以實現(xiàn)A/D轉換、LCD顯示、語音數(shù)據(jù)提取、解碼及合成后送DAC轉換成音頻電流驅動揚聲器播報測量結果。SPCE061A芯片的ADC(IOA0)測試的基本量為直流電壓，范圍為0到3.3V，因此這就需要先將被測量(直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻、電容、三極管放大倍數(shù)、二極管及線路通斷等)轉換成直流電壓，由功能選擇電路選擇所測試的是哪一個被測量。圖2中的功能選擇電路中主要部件為機械開關，即功能選擇開關，需要測試人員手動調節(jié)，所以需要偵測出功能選擇開關的位置，才能知道當前測試的是哪一個被測量。本實用新型的實施例中采用SPCE061A芯片的通用I/O口控制8-3編碼器74HC148來確定功能選擇開關的位置，再由SPCE061A芯片中的ADC與量程轉換電路配合控制量程的選擇。輸入到SPCE061A芯片中的ADC電路的直流電壓在0到3.3V范圍內，經(jīng)SPCE061A芯片內部的10位精度的ADC轉換成0到1023的數(shù)字量值，并經(jīng)微控制器SPCE061A芯片運算處理后產(chǎn)生000.0到999.9(3位半)數(shù)碼結果，經(jīng)驅動在LCD上顯示出來，當中小數(shù)點的位置可由量程選擇確定。同時，SPCE061A根據(jù)000.0-999.9數(shù)碼結果(文本結果)從存儲在SPCE061A片內的Flash存儲器里的音素庫中地取出壓縮過的音素數(shù)據(jù)，通過DSP運算對其進行解壓縮后逐步合成出對應于上述數(shù)碼結果的0到1023的數(shù)字語音數(shù)據(jù)，通過SPCE061A芯片片內10位精度的數(shù)/模轉換器DAC將數(shù)字語音信號轉換成連續(xù)的0到3mA音頻電流信號，經(jīng)驅動電路使音頻輸出電路中的揚聲器發(fā)出語音聲音(語音結果)。當然，本實施例中也可以采用外接功放電路，例如LM386功放集成電路，來完成語音的播放。
本實用新型的萬用表通過上述的TTS(文本-語音轉換)技術過程實現(xiàn)語音播報測量結果，可以節(jié)省大量的存儲器資源，從而可進一步降低成本。
本實用新型的萬用表可采用用戶定制的方法進行多種語言選擇，根據(jù)用戶的需要將相應語言的音素庫壓縮存入SPCE061A的片內Flash存儲器中；并且，SPCE061A可據(jù)用戶定制信息，在進行上述文本-語音轉換過程中采用相應的解壓縮及合成處理方法，便可實現(xiàn)本實用新型萬用表多種語言選擇的語音報數(shù)功能。
在圖2所示的實施例中，所采用的SPCE061A單片機的IOB7、IOB10為并行輸入輸出口(I/O)，其第二功能為通用異步串行接口UART的發(fā)送端口TXD、接收端口RXD，能夠支持串行通訊；同時該微控制器支持并行打印功能，通過微控制器的I/O口連接并行打印機(圖中未示)，并由SPCE061A的I/O口模擬并行通訊的時序完成與打印機的通訊，這樣就能夠將測量結果打印出來，而且，由于微控制器SPCE061A的I/O口具有輸出鎖存功能，因此可以不需要外加鎖存器進行數(shù)據(jù)的鎖存。當然，本實用新型中采用的微控制器并不僅僅局限于實施例中所示的SPCE061A單片機，也可以采用其他品牌、型號的微控制器，但是需要根據(jù)其各自的電氣特性增添相應的輔助器件來實現(xiàn)本實用新型的功能。例如所采用的微控制器沒有內置的模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP或片內ROM存儲器，就需要添加相應器件以及驅動電路；如果所采用的微控制器沒有內置的串口或并口，同樣需要添加相應的通訊接口電路，以及相應的驅動、鎖存電路來實現(xiàn)本實用新型的功能。
圖3是圖2所示實施例功能選擇電路的觸頭及其編號圖。圖3所示的功能選擇開關對應于圖1中所示的功能選擇電路，該功能選擇開關為機械旋轉開關。圖3中，S1——S51為鍍銀或鍍銅的觸頭，對應于不同的測量電路。本實用新型數(shù)字萬用表所測量的各種參數(shù)具有不同的測量電路和測量單位，數(shù)字萬用表測試何種被測量由功能選擇開關來選擇，當選擇某測量功能時，從萬用表表筆接入的被測量通過該開關連接到對應的電路上，由量程自動轉換電路自動選擇最合適的量程進行A/D轉換，同時斷開其它功能電路，以便降低功耗；另一方面，微控制器讀入該開關的位置信息，并根據(jù)所述開關位置對應的功能檔的量程大小來顯示、語音播報被測量的工程值大小、單位。例如圖3所示為選擇測量交流電壓檔，萬用表黑表筆連接到系統(tǒng)的“地”上，紅表筆電壓信號連接到S1上，通過功能選擇開關的動觸片連接到S11上，S11為連接交流電壓轉換為直流電壓電路的固定觸頭，交流電壓轉換為直流電壓電路的輸出通過S27、S31、S35、S38、S41、S42連接到量程自動轉換電路，從而進入單片機SPCE061A的ADC電路，功能選擇開關的S18、S26用來供SPCE061A判斷位置信息。其它測量功能如直流電壓、直流電流、交流電流、電阻、電容、三極管放大倍數(shù)、二極管及線路通斷等測量電路的信號流向與測量交流電壓類同。
圖4是圖2所示實施例實現(xiàn)功能選擇電路位置判斷的電路。用來判斷圖4所示功能選擇開關的位置。實現(xiàn)該位置判斷功能的電路可以有很多種，本實施例中是采用8-3編碼器74HC148來進行位置判斷。如圖4中所示，74HC148共有8路輸入、3路輸出，第0、7兩路輸入未使用，第1到第6路分別連接到功能選擇開關的S16～S21；其中，S16連到S51、S17連到S50、S18連到S25、S19連到S24、S20連到S23、S21連到S22。功能選擇開關的S26固定接低電平，S49接微控制器SPCE061A的一個I/O口。由于圖4中所示的被測量有12種，而74HC148的輸入端最多只有8個，因此在本實施例中需要另外配合S26、S49的邏輯電平共同完成功能的選擇，也就是使用74HC148其中的6路輸入并配合S26、S49的邏輯電平共同進行判斷。如圖4所示，74HC148的8路輸入分別通過10K的上拉電阻接高電平，并且第0、7兩路輸入未使用，當?shù)?到第6路無低電平時，74HC148的A2、A1、A0輸出全為高電平，當其中有低電平時，A2、A1、A0的編碼范圍為001到110，74HC148邏輯真值表如表1所示。當萬用表的功能選擇開關被旋轉到某一個測量功能時，S16～S21將有不同的邏輯電平編碼，即對應于74HC148的6路有不同的電平序列輸入，74HC148則有不同的編碼輸出，將其編碼結果輸出到微控制器SPCE061A的I/O口(IOA4～IOA6)，由微控制器SPCE061A進行判斷，就可以知道所選擇的被測功能，從而實現(xiàn)了被測量的功能選擇開關位置的判斷。下面以選擇ACV為例來具體說明如何進行功能選擇開關位置的判斷。見表1所示的74HC148芯片的邏輯真值表，首先微控制器向S49輸出一個高電平，并讀入74HC148的A2、A1、A0的狀態(tài)，由微控制器判斷A2、A1、A0的編碼是否在正確的編碼范圍內，因為功能選擇開關在ACV的位置，S18與S26相連，所以S18為低電平，即74HC148的第4路輸入為低電平，則74HC148的A2、A1、A0編碼輸出為011，在正確的編碼范圍內，微控制器根據(jù)此編碼和S49的電平狀態(tài)即可知道是ACV檔。如果功能選擇開關在右半邊(200uA——20A擋)時，則微控制器必須向S49輸出低電平，74HC148的A2、A1、A0編碼輸出才在正確的編碼范圍內，由此就可以判斷功能選擇開關的位置了，從而實現(xiàn)對被測量的信息判斷。
表1 74HC148芯片的邏輯真值表

圖5是圖2所示實施例所采用的74HC4051邏輯結構原理框圖。圖5中所示的芯片為74HC4051，是8選1多路選擇開關。其中有8個輸入端口A0～A7，其管腳為圖中對應的小圓圈中的數(shù)字；1個輸出通道A，其管腳為3；三個控制端口S0～S2，對應的管腳分別為11～9。8選1多路選擇開關74HC4051的輸入信號來自于分壓電阻R74到R80的分壓值，控制信號來自于微控制器，輸出信號連接到微控制器的模/數(shù)轉換器ADC。74HC4051芯片的控制端口S0～S2編碼由微控制器控制(由微控制器SPCE061A輸出)決定哪個輸入通道與輸出通道導通，見表2所示的74HC4051真值表。例如，S0～S2端口的二進制編碼為000時，輸出通道A與輸入A0通道導通，輸出端口A輸出的值即為A0通道對應的分壓值；S0～S2端口的二進制編碼為101時，輸入端口A5對應的通道導通，輸出端口A輸出的值即為A5通道對應的測量值。
表2 芯片74HC4051真值表

圖6是圖2所示實施例量程自動轉換的電路圖。由于SPCE061A的ADC電路的輸入電壓范圍為0到3.3V，所以要將由數(shù)字萬用表表筆接入的被測量轉換成ADC電路正常工作的輸入電壓范圍，量程自動轉換是通過74HC4051與微控制器內部的模/數(shù)轉換器ADC配合工作的，74HC4051是8選1多路選擇開關。如圖6所示，各測量電路送來的電壓信號通過功能選擇開關的S11和S31加到分壓電阻R74到R80上。分壓電阻R74到R79各電阻的兩端分別連接74HC4051的輸入端口1到7，如圖6中所示。首先，SPCE061A的I/O輸出(IOA9～IOA11)控制74HC4051選擇最大量程即第7端口(管腳2)所表示的輸入通道，74HC4051的輸出端(管腳3)通過功能選擇開關的S41送微控制器SPCE061A進行模/數(shù)轉換，如果轉換得到的值低于此檔量程，則SPCE061A的IOA9～IOA11端輸出較小的量程的控制信號到74HC4051的控制端口S0～S2，再進行AD轉換，重復上述過程，直到找到最合適的量程。下面以被測量為20V直流電壓為例，詳細說明本實用新型是如何進行量程的自動轉換的。
20V的被測直流電壓通過萬用表表筆連接到功能選擇開關上，撥動功能選擇開關到直流電壓檔，使20V電壓加到分壓電阻R74～R80的兩端(S11、S31端)，經(jīng)過R74～R80的分壓，使連接到74HC4051各輸入通道的電壓值為20V電壓按不同比例分壓后的值。首先微控制器SPCE061A輸出控制信號到74HC4051，選擇最大的量程，即74HC4051的第7通道(管腳2)，經(jīng)過分壓后，信號較小，不在本量程范圍內，因此，單片機SPCE061A通過其端口IOA9～IOA11向74HC4051輸出較小量程的控制信號到74HC4051的端口S0～S2，再進行A/D轉換，直到找到最為合適的量程，實現(xiàn)了量程的自動轉換。
圖7是圖2所示實施例的數(shù)字萬用表與上位機通訊的電路圖。圖7中所示的芯片為RS232芯片HIN232CP。圖7中所示微控制器SPCE061A通過其管腳IOB7、IOB10連接一個RS232芯片HIN232CP，管腳IOB7、IOB10的第二功能為通用異步串行通訊口(UART)的TXD、RXD，HIN232CP的端口DOUT2、RIN2連接一個SUB-D9針接口，通過這個SUB-D9針接口連接上位計算機的UART，這樣就可以實現(xiàn)與上位機的連接和通訊了。
本實用新型提供的數(shù)字萬用表采用微控制器SPCE061A作為其控制部件，而不采用分離元件的模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及語音ROM，因而具有電路集成度高、可靠性高、體積小、成本低等特點。本實用新型數(shù)字萬用表能夠進行量程的自動識別，實現(xiàn)多種語言的語音播報測量結果并且能夠同上位機進行通訊，智能化程度較高。
需要指出的是，本實用新型不僅僅局限于上述所述的實施例中所示的數(shù)字萬用表實現(xiàn)語音播報測量值以及進行量程自動轉換功能的具體實施方式
。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種數(shù)字萬用表，包括功能選擇電路、量程轉換電路、LCD電路、電源，其特征在于還包括具有模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、數(shù)字信號處理器DSP以及片內存儲器的微控制器；其中，被測量、功能選擇電路、量程轉換電路及微控制器的模/數(shù)轉換器ADC依次串聯(lián)并產(chǎn)生數(shù)碼測量結果經(jīng)由LCD電路輸出；該數(shù)碼測量結果通過數(shù)字信號處理器DSP處理產(chǎn)生播報測量結果的數(shù)字聲音數(shù)據(jù)，再經(jīng)由數(shù)/模轉換器DAC轉換為連續(xù)的語音模擬量信號輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字萬用表，其特征在于所述量程轉換電路和所述模/數(shù)轉換器ADC組成量程自動轉換電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字萬用表，其特征在于所述微控制器為凌陽公司16位單片機SPCE061A。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字萬用表，其特征在于所述微控制器的片內存儲器存儲有合成語音的音素庫。
5.根據(jù)權利要求4所述的數(shù)字萬用表，其特征在于所述音素庫采用TTS技術合成的語音音素庫。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字萬用表，其特征在于所述LCD電路的驅動方式為二分之一偏壓或三分之一偏壓。
7.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字萬用表，其特征在于進一步包括與數(shù)/模轉換器DAC依次串接的驅動電路和音頻輸出電路，語音模擬量信號經(jīng)放大驅動后輸出給音頻輸出電路實現(xiàn)語音播報測量結果。
8.根據(jù)權利要求1至7任一項所述的數(shù)字萬用表，其特征在于進一步包括自動關機電路，電源通過自動關機電路為微控制器提供工作電壓，當數(shù)字萬用表待機時間超過預先設定值時，切斷連接到微控制器的電源。
專利摘要本實用新型提供了用于測量電氣參數(shù)并具有語音播報功能的數(shù)字萬用表。該數(shù)字萬用表主要由功能選擇電路(4)、量程轉換電路(5)、LCD電路(9)、電源(1)和帶有模/數(shù)轉換器ADC和數(shù)/模轉換器DAC的微控制器(3)構成。其中該數(shù)字萬用表的量程轉換電路(5)和微控制器(3)內部的模/數(shù)轉換器ADC構成了量程自動轉換電路(6)。該數(shù)字萬用表的微控制器(3)是采用凌陽公司的SPCE061A芯片作為其控制部件，不但能夠進行量程的自動識別，且可實現(xiàn)多種測量結果的語音播報及能與上位機進行通訊，因而具有電路集成度高、可靠性高、體積小、成本低、智能化程度較高等特點。
文檔編號G01D7/12GK2685886SQ20032010439
公開日2005年3月16日 申請日期2003年11月24日 優(yōu)先權日2003年11月24日
發(fā)明者林顯丞, 葉新華, 陸偉 申請人:北京北陽電子技術有限公司