采用FPGA和單片機(jī)結(jié)合的等精度原理的測(cè)量頻率實(shí)現(xiàn)

引言

傳統(tǒng)測(cè)量頻率的方法主要有直接測(cè)量法、分頻測(cè)量法、測(cè)周法等，這些方法往往只適用于測(cè)量一段頻率，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量的精度就會(huì)下降。本文提出一種基于等精度原理的測(cè)量頻率的方法，在整個(gè)頻率測(cè)量過(guò)程中都能達(dá)到相同的測(cè)量精度，而與被測(cè)信號(hào)的頻率變化無(wú)關(guān)。本文利用(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的高速數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量計(jì)數(shù);利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、周期、脈沖寬度的計(jì)算及顯示。

等精度測(cè)量原理等精度測(cè)量的一個(gè)最大特點(diǎn)是測(cè)量的實(shí)際門控時(shí)間不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)與被測(cè)信號(hào)有關(guān)的值，剛好是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍。在計(jì)數(shù)允許時(shí)間內(nèi)，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得到被測(cè)信號(hào)的頻率。由于門控信號(hào)是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，就消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的士1誤差，但是會(huì)產(chǎn)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)士1的誤差。如圖1所示。

系統(tǒng)中，如果采用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的精度很高，就叮以達(dá)到一個(gè)很高的測(cè)量精度，一般情況下都是采用晶體作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，因此可以達(dá)到很高的精度，滿足一般系統(tǒng)的要求。

2、模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的等精度測(cè)量原理基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。增加了測(cè)量占空比的功能，同時(shí)由內(nèi)部產(chǎn)生清零信號(hào)，節(jié)省了資源。改進(jìn)后的FPGA核心模塊如圖2所示。FPGA部分主要由門控信號(hào)產(chǎn)生模塊、計(jì)數(shù)器控制模塊、計(jì)數(shù)器模塊、鎖存器、中斷輸出、數(shù)據(jù)選擇輸出、頂層模塊組成。

1)門控信號(hào)為了測(cè)量頻率為1H:的信號(hào)，要求系統(tǒng)的開(kāi)門時(shí)間不小于1s;同理，為了測(cè)量0.1H:頻率的信號(hào)，要求開(kāi)門時(shí)間最短為109。但是如果系統(tǒng)一直采用10s的門控信號(hào)，測(cè)量高頻信號(hào)的等待時(shí)間太長(zhǎng)，顯然不合理，因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果的顯示必須要等到一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束之后才能更新。本系統(tǒng)采用的方法是，由單片機(jī)給FPGA提供一個(gè)門控的選擇信號(hào)，如果FPG人測(cè)得的頻率小于1Hz,那么單片機(jī)自動(dòng)給出一個(gè)啟動(dòng)10s門控的控制信號(hào);反之，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)量的頻率大于1Hz，自動(dòng)切換回1。門控，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制，很好地解決了門控的時(shí)間問(wèn)題。

2)計(jì)數(shù)器控制模塊

該模塊是本文的創(chuàng)新點(diǎn)所在，主要用來(lái)同步被測(cè)信號(hào)。由前面的分析可知，門控信號(hào)啟動(dòng)(上升沿)后，在被測(cè)信號(hào)的上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)允許模塊，允許計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);門控信號(hào)關(guān)閉(下降沿)后，在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿關(guān)閉計(jì)數(shù)允許模塊，停止計(jì)數(shù)，從而保證了門控信號(hào)是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，達(dá)到了等精度的目的。該模塊有GATE,CLKx這2個(gè)輸人端;ENh,ENx,Load,CLR這4個(gè)輸出端。GATE為上一級(jí)給出的門控信號(hào)漢LKesx為被測(cè)信號(hào);EN-h，高電平期間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到CNT_h;EN_x為給出的允許計(jì)數(shù)信號(hào)，在EN-x的高電平期間，對(duì)被測(cè)信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)，得到CNT-x,CNT-b;Load為鎖存信號(hào);CLR為計(jì)數(shù)器清零信號(hào)。

由CNTx和CNT_b可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率和周期;由CNTex和CNTh可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的脈沖寬度。佑直圖加圖3所式。

3)計(jì)數(shù)器模塊

在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的過(guò)程中需要注意計(jì)數(shù)器的寬度設(shè)置，系統(tǒng)中采用的最大門控時(shí)間為10a，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的頻率為50MHz，則在計(jì)數(shù)的允許時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的最大值為:536870912,為了方便數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)中采用了32位位寬的計(jì)數(shù)器。

4)鎖存器模塊

在門控信號(hào)關(guān)閉的同時(shí)，停止計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)鎖存模塊，把測(cè)量的數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)，以便傳輸。

5)中斷輸出

鎖存數(shù)據(jù)的同時(shí)，給單片機(jī)一個(gè)低電平的中斷信號(hào)，通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

6)數(shù)據(jù)選擇輸出模塊

系統(tǒng)中采用了3個(gè)32位的計(jì)數(shù)器，由于單片機(jī)采用的是51系列單片機(jī)，只有8位的數(shù)據(jù)總線，所以一次通信只能傳輸8位數(shù)據(jù)，3x32/8二12，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)輸出控制模塊，由單片機(jī)提供4根地址線，譯碼后可以選擇16組數(shù)據(jù)，單片機(jī)得到中斷通知后，分12次讀取測(cè)量的數(shù)據(jù)。

7)頂層模塊

實(shí)例化所有的底層模塊，同時(shí)為了調(diào)試方便，加入了一些測(cè)試點(diǎn)。FPGA部分的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3、單片機(jī)模塊控制

3.1理論分析

在計(jì)數(shù)允許EN-x時(shí)間內(nèi)，對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到CNT_x和CNT_b，設(shè)被測(cè)信號(hào)的周期為T,,頻率為Fx，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期為F6.頻率為Fb。則有:

系統(tǒng)中采用式(6)一式(8)進(jìn)行計(jì)算，得到最終的測(cè)量數(shù)據(jù)，單片機(jī)中采用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算的精度可以滿足系統(tǒng)的要求。

3.2硬件電路

系統(tǒng)硬件電路比較簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)的最小系統(tǒng)加上液晶顯示模塊，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意,51單片機(jī)端口電壓是5V輸出，而FPGA是3.3V輸出，所以在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要串聯(lián)一個(gè)電阻一般1000一300f2即可。電路原理圖如圖5所示。

3.3軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)傳輸、頻率、周期、占空比計(jì)算、液晶顯示等程序模塊組成。

下面簡(jiǎn)單介紹主函數(shù)及計(jì)算子函數(shù)。軟件流程如圖6所示。

中斷服務(wù)子程序如圖7所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FPGA和單片機(jī)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量頻率，充分發(fā)揮了FPGA高速的數(shù)據(jù)處理能力以及單片機(jī)的計(jì)算、控制能力。采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試.最終下載到FPGA內(nèi)部。單片機(jī)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，利用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，精度高。同時(shí)設(shè)計(jì)了門控信號(hào)自動(dòng)選擇的閉環(huán)控制，大大地提高了系統(tǒng)的性能。等精度測(cè)量技術(shù)在生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。