剖析基于DSP的簡易數(shù)字頻率計

采用TMS320F2812 DSP芯片為控制單元，在無需任何門控器件控制的情況下，利用DSP 2812豐富的軟件資源實現(xiàn)了等精度測量。根據(jù)每個門閘時間內(nèi)高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù)與已知被測信號的個數(shù)，求得被測信號頻率，再通過多次平均得到最終結(jié)果。

作品的意義與概況

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展， 各種電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化， 特別是DSP技術(shù)誕生以后，電子測量技術(shù)更是邁進了一個全新的時代。近年來，DSP逐漸成為各種電子器件的基礎(chǔ)器件，逐漸成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ某栃袠I(yè)，甚至被譽為信息化數(shù)字化時代革命旗手。在電子測量技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，它與許多電參量和非電量的測量都有著十分密切的關(guān)系。例如，許多傳感器就是將一些非電量轉(zhuǎn)換成頻率來進行測量的，因此頻率的測量就顯得更為重要。數(shù)字頻率計是用數(shù)字來顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號。

數(shù)字頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使得儀器的體積更小、耗電更少、精度和可靠性更高。而傳統(tǒng)的頻率計測量誤差較大，范圍也較窄，因此逐漸被新型的數(shù)字頻率計所代替?；贒SP的等精度頻率計以其測量準(zhǔn)確、精度高、方便、價格便宜等優(yōu)勢將得到廣泛的應(yīng)用。

我們設(shè)計的簡易數(shù)字頻率計在未采用任何門控器件控制的情況下，在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)了等精度頻率測量，0.5Hz~10MHz的范圍內(nèi)測量方波的最大相對誤差小于2e-6，測量正弦波的最大相對誤差小于3.5e-5；結(jié)果通過RS232通訊顯示在計算機上，可以很方便地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

方案設(shè)計

總體介紹

傳統(tǒng)的等精度測頻法使用門控器件產(chǎn)生門控信號，從而實現(xiàn)實際門閘信號與被測信號同步，消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的一個脈沖的誤差，其原理圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的等精度測量原理

由硬件控制計數(shù)的門閘時間，當(dāng)預(yù)置們信號（即定閘門信號）為高電平時，基準(zhǔn)信號計數(shù)器CNT1和被測信號計數(shù)器CNT2并不啟動，而是等被測信號的上升沿來到時才同時開始計數(shù)；當(dāng)預(yù)置們信號為低電平時，兩個計數(shù)器并不馬上關(guān)閉，同樣要等到被測信號上升沿來到后再關(guān)閉；于是，實際閘門時間就是被測信號周期的整數(shù)倍，從而實現(xiàn)了閘門與被測信號的同步。但是，實際的門閘時間并不固定，與被測信號的頻率有關(guān)。此外，無論是采用計數(shù)器還是單片機，在實現(xiàn)等精度測量時總是離不開門控器件。

本設(shè)計基于DSP豐富的軟件資源，經(jīng)過判斷和處理，完成了對被測信號頻率的等精度測量。硬件上無需任何門控器件，簡化了電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示，信號處理部分以TMS320F2812 DSP芯片作為控制和測量的核心；信號調(diào)理部分主要是完成對信號的放大、整形和限幅；標(biāo)準(zhǔn)頻率信號由30MHz有源晶振產(chǎn)生，作為高頻標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖；通過DSP的SCI模塊與上位機實現(xiàn)通信，結(jié)果顯示在上位機上。

圖2 系統(tǒng)框圖

頻率/周期測量

在對被測信號頻率和周期的測量中，等精度測量是基于DSP比較匹配時T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號的開啟和關(guān)閉，由于比較匹配發(fā)生在被測信號的上升沿，從而實現(xiàn)了門閘時間與被測信號的同步。原理圖如圖3所示。

圖3 本等精度頻率測量原理

通用定時器T1時鐘輸入選擇外部定時器時鐘，此處用調(diào)理后的被測信號作為定時器T1的時鐘輸入，定時器T2時鐘輸入選擇內(nèi)部CPU時鐘，用來產(chǎn)生高頻標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖。F2812片上EVA中通用定時器T1在發(fā)生比較匹配事件時，其比較輸出引腳T1CMP輸出信號會自動改變電平狀態(tài)，產(chǎn)生PWM波。捕獲單元CAP1設(shè)置為上升沿捕獲，T1PWM輸出的PWM波上升沿被CAP1捕獲到，讀取此時定時器T2的計數(shù)值，同理在下一次比較匹配時再次讀取定時器T2的計數(shù)值。通過兩次T2CNT值的相減，即可獲得該門閘時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個數(shù)，然后求出被測信號頻率。

基于DSP比較匹配時T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號的開啟和關(guān)閉，由于比較匹配發(fā)生在被測信號的上升沿，從而實現(xiàn)了門閘時間與被測信號的同步。兩個相鄰的比較匹配產(chǎn)生的PWM波的上升沿分別作為門閘信號的開啟和關(guān)閉信號，其中被測信號的個數(shù)為整數(shù)，并且是由我們自己任意設(shè)定的。定時器T2時鐘輸入選擇內(nèi)部CPU時鐘，用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖。設(shè)定捕獲單元CAP1為上升沿捕獲，當(dāng)其捕獲到上升沿時讀取堆棧CAPFIFO內(nèi)的值，在下一次捕獲到時再讀堆棧內(nèi)的值，計算出標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個數(shù)Ny，保證Ny的個數(shù)不小于一定的值，即可保證門閘時間大于一定的值。

假設(shè)現(xiàn)在希望一個門閘時間內(nèi)高頻填充脈沖的總數(shù)不小于n，當(dāng)Ny》n時，就增大定時器T1的定時周期，即增大定時器T1周期寄存器TIPR的值。存在公式T1PR+1=n/Ny，由于n/Ny不一定為整數(shù)，假a《n/Ny《a+1（a為整數(shù)），則取n/Ny=a+1，表現(xiàn)在被測信號上，則與傳統(tǒng)的用硬件控制一樣，用下一個被測信號的上升沿作為門閘信號的關(guān)閉信號，只不過該上升沿發(fā)生在下一次的比較匹配時。然后，再在該門閘時間內(nèi)讀取高頻填充脈沖的個數(shù)，有Ny≥n，從而得出高精度的被測信號頻率。在本設(shè)計中，定時器T1并不關(guān)閉，前一門閘時間的關(guān)閉信號同時作為下一門閘信號的開啟信號。

周期測量與頻率測量的基本原理完全相同，測出信號頻率，根據(jù)公T=1/f即可得出被測信號的周期。

誤差分析

定時器T1計數(shù)的啟停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在一次測量時間內(nèi)對被測信號的計數(shù)無誤差；在此時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的計數(shù)個數(shù)Ny，最多相差一個脈沖，故理論誤差為：|d|≤1/Ny

顯然，測量精度僅僅與Ny有關(guān)，只要Ny值足夠大，就能保證精度。

如圖4所示，將被測信號經(jīng)過高速運放OPA2690進行放大，在經(jīng)過高速比較器TL3016進行整形［3］，由于比較器在對低頻正弦波信號進行整形時，輸出波形的邊沿有比較嚴(yán)重的抖動，影響測量。解決辦法是對比較器加入正反饋，加速信號邊沿，同時形成滯環(huán)，可有效消除抖動。整形后的信號經(jīng)過高速施密特觸發(fā)SN74LVC1G14進行限幅和進一步整形。

測量部分主要使用DSP2812芯片上定時器T1的時鐘輸入引腳TCLKINA、定時器T1的比較輸出引腳T1PWM和捕獲單元CAP1的輸入引腳CAP1，即可完成頻率測量。通訊部分選擇MAX3221作為RS-232電平轉(zhuǎn)換器件，通過9芯標(biāo)準(zhǔn)RS-232口與上位機進行串行通信。主要使用了DSP的串行通信發(fā)送引腳SCIRXD和串行通信接收引腳SCITXD。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要包括以下四部分：

·初始化：對變量參數(shù)、系統(tǒng)時鐘、PIE、EV、Flash、GPIO等進行配置。

·中斷模塊：SCI中斷和定時器T2、T3上溢中斷。

·數(shù)據(jù)處理模塊：分段+取算術(shù)平均值。

·輸出操作模塊：數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232傳給上位機。

圖5為測頻率、周期軟件流程圖，圖6為定時器2的溢出中斷流程圖。

圖5 測頻率、周期流程圖

圖6 定時器T2溢出中斷流程圖

在該部分初始化時，要進行以下配置：通用定時器T1時鐘輸入為外部定時器時鐘，通用定時器T2時鐘輸入為內(nèi)部時鐘輸入，用來對標(biāo)準(zhǔn)脈沖進行計數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)脈沖由外部30MHz的有源晶振提供；捕獲單元1設(shè)置為上升沿捕獲，用來捕獲T1PWM引腳輸出PWM波的上升沿，在每次比較匹配時讀取定時器T2的計數(shù)值T2CNT，該值保存在CAP1FIFO內(nèi)。初始化時要將捕獲單元1的狀態(tài)寄存器中的FIFO堆棧狀態(tài)設(shè)置成空堆棧；

將定時器T1的定時周期設(shè)置為4個被測信號的周期長度，通過測得的定時器T1的一個定時周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù)，計算出被測信號頻率，然后對被測信號進行分段，分別為低頻段（小于46.875Hz），中頻段（大于46.875Hz，小于2343.75KHz），以及高頻段（大于2343.75 KHz），其中分段的依據(jù)是定時器的計數(shù)飽和值為65536和計數(shù)個數(shù)應(yīng)大于等于1。若信號頻率為中高頻段則重新配置定時器T1，定時器T2的寄存器，來改變定時周期以及每個門閘時間內(nèi)的高頻填充脈沖的個數(shù)。在定時器T1的下一個定時周期內(nèi)計算出頻率和周期。

另外，定時器T2的溢出次數(shù)要在第一次發(fā)生比較匹配時清零，而是否是第一次發(fā)生比較匹配則通過設(shè)置一個標(biāo)志來判斷。當(dāng)溢出次數(shù)清零后才開始記溢出次數(shù)，直到第二次發(fā)生比較匹配。

下一步改進意見

該方法的測量誤差主要來自硬件部分，整形電路的優(yōu)劣直接關(guān)系到測量精度的高低。所以我們下一步的工作就是改進整形電路的整形效果和抗干擾性能，盡最大可能減小信號整形帶來的誤差。

由于DSP定時器在計數(shù)時存在計數(shù)飽和的情況，因此在實現(xiàn)該等精度測量時存在上限，即當(dāng)被測信號頻率高于高頻填充脈沖的頻率時，該方法就不能實現(xiàn)等精度了?？梢栽谠摲桨傅幕A(chǔ)上進行以下處理：選擇定時器T1定時周期內(nèi)被測信號的個數(shù)固定，可設(shè)置T1PR為65529，同時將定時器T2的時鐘修改為75MHz，這樣就能保證每個門閘時間內(nèi)高頻填充脈沖的個數(shù)，從而在對高頻信號實現(xiàn)頻率和周期測量時保證了精度。

但選擇定時器T1時鐘輸入為外部時鐘時對被測信號的輸入范圍存在限制，如果要進一步提高測量的信號的范圍，使得范圍達到上百兆或上G赫茲，可以考慮相位測量的方法，將被測信號設(shè)為360度，根據(jù)被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號之間的X度相位差，計算被測信號頻率。

參考文獻：

1． 張志文，田英峰， 基于的DSP高精度頻率測量系統(tǒng)的研究，西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報。 2007，

27（2）：167-170

2. Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x DSP System Control And Interrupts Reference Guide. TEXAS INSTRUMENTS，July 2003

3.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會， 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編， 北京理工大學(xué)出版社，2004.8.169-216

4. 徐科軍，張瀚，陳智淵，TMS320X281x DSP原理與應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社，2006

5. 李寶營，趙永生，祖龍起，牛悅苓，基于單片機的等精度頻率計設(shè)計，微計算機信息 （ 嵌入式與SOC），2007，23（9-2）：152-154

編輯：jq