基于Xilinx XC95144和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計的設(shè)計

一。 引言

數(shù)字頻率計是電子測試、自動化控制等設(shè)備中不可或缺的重要模塊，對其精度和成本都提出了較高的要求。最常用和直接的頻率測量方法是直接測頻法。直接測頻法工作原理簡單，設(shè)計復(fù)雜度低。其通過在給定的閘門信號中對待測信號脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而算出待測信號的頻率。但由于閘門是與基準(zhǔn)信號（fr）完全同步，而不是待測信號（ft），所以測量結(jié)果有±1個待測信號脈沖的誤差，這對低頻信號是難以容忍的。多周期同步測頻法中閘門的時間不是固定的，而是被測信號的整周期倍。閘門的開閉受門控信號和待測信號的雙重控制，以期達(dá)到閘門與待測信號完全同步，從而消除±1個待測信號脈沖的誤差。多周期同步測頻法將誤差轉(zhuǎn)移為±1個基準(zhǔn)脈沖的誤差，而基準(zhǔn)信號的頻率一般較高，其±1個脈沖誤差可忽略不計。多周期同步測頻法雖然解決了誤差的問題，但其增加了閘門信號的設(shè)計難度，而且加重了頻率計算部分的負(fù)擔(dān)。

基于此，本文提出了一種采用較小規(guī)模CPLD（Xilinx XC95144）和單片機(jī)（AT89C51）相結(jié)合的數(shù)字頻率計設(shè)計方案。該方案不僅體積小、保密性強(qiáng)，而且設(shè)計簡單、成本低、精度高、可測頻帶寬。

二。 數(shù)字頻率計工作原理

本文提出的基于CPLD和單片機(jī)相結(jié)合的設(shè)計方案不僅能較好地解決誤差問題，誤差僅小于等于 0.1HZ，同時還通過對軟硬件界面的科學(xué)劃分，在保證性能的基礎(chǔ)上，盡最大可能地簡化了硬件設(shè)計的難度。該方法原理圖如圖1所示。其中測頻模塊采用CPLD（Xilinx XC95144）設(shè)計完成，其余功能主要由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。完成的功能如下：

測頻模塊：主要是對基準(zhǔn)信號fr和待測信號ft的脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)周期為1s；

數(shù)字處理模塊：接收測頻模塊送出的待測信號脈沖計數(shù)值nt，計算出其實(shí)際的頻率值。然后采用10次求平均的方法逐步求精待測信號頻率值；

格式轉(zhuǎn)換模：塊負(fù)責(zé)將計算模塊所得的結(jié)果轉(zhuǎn)換為顯示模塊可以識別的幀格式；

整形模塊：負(fù)責(zé)對輸入的待測信號進(jìn)行整形處理（放大、濾波）；

顯示模塊：負(fù)責(zé)待測信號頻率值的顯示。

下面將對對其核心模塊的設(shè)計做一介紹。

三。 數(shù)字頻率計的設(shè)計

3.1 測頻模塊

如圖2所示，測頻模塊主要由兩個計數(shù)器C1和C2組成。其工作過程如下：

C1對基準(zhǔn)信號的脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)周期為1s；C1計數(shù)的同時，C2對待測信號的脈沖進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)C1計數(shù)滿1s時，門控信號rst有效，其終止C1和 C2的計數(shù)，并將C2的計數(shù)值鎖存至32位寄存器nt中，然后將C1和C2計數(shù)值清零；接著rst無效，并開始下一次計數(shù)，C1計數(shù)不滿1s期間rst始終保持無效。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)字頻率計的核心單元AT89C51，通過控制P3.0和P3.1兩個端口將32位寄存器nt的4個字節(jié)輸出到AT89C51的直接地址30H， 31H， 32H， 33H處。當(dāng)計數(shù)器的值被讀到單片機(jī)中后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊，對計數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，求出所測參數(shù)的值和單位，最后應(yīng)將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換為驅(qū)動LED數(shù)碼顯示器的段碼，包括1個小數(shù)點(diǎn)。對計數(shù)值的處理運(yùn)算要用到除法和乘法。為了用8位單片機(jī)來處理32位數(shù)的二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，首先利用字節(jié)除法求出每個字節(jié)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)位值。

如：a100=［30H］／100， a10=（［30H］ mod 100）／10，a1=［30H］ mod 10

其中，a1是頻率值的第一個字節(jié)的個位， a10是頻率值的第一個字節(jié)的十位， a100是頻率值的第一個字節(jié)的百位。

我們將每位十進(jìn)制數(shù)用非壓縮BCD碼表示，分別存儲在AT89C51的直接地址40H~49H。然后通過如下計算：

40H=a1＋6*a2＋6*a3＋6*a4

41H=a10＋6*a20＋5*a2＋6*a30＋3*a3＋6*a40＋a4

42H=a100＋6*a200＋5*a20＋2*a2＋6*a300＋3*a30＋5*a3＋6*a400＋a40＋2*a4

43H=5*a200＋2*a20＋3*a300＋5*a30＋5*a3＋a400＋2*a40＋7*a4

44H=2*a200＋5*a300＋5*a30＋6*a3＋2*a400＋7*a40＋7*a4

45H=5*a300＋6*a30＋7*a400＋7*a40＋7*a4

46H=6*a300＋7*a400＋7*a40＋6*a4

47H=7*a400＋6*a40＋a4

48H=6*a400＋a40

49H=a400

由于本設(shè)計用非壓縮BCD碼表示十進(jìn)制數(shù)，40H到49H所表示的數(shù)值還要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，調(diào)整步驟如下： 42H←42H＋40H／100

40H←40H mod 100

41H←41H＋40H／10

40H←40H mod 10

43H←43H＋41H／100

41H←41H mod 100

42H←42H＋41H／10

41H←41H mod 10

……

調(diào)整后的每位十進(jìn)制數(shù)都符合非壓縮BCD碼的表示規(guī)范。為了減小直接測頻法的誤差，本設(shè)計采用了十次平均逐步求精的方法。因?yàn)閷ν淮郎y信號，連續(xù)兩次計數(shù)值之差不會超過1，所以可開辟一10字節(jié)的隊(duì)列，初始時全為0，每次先將個位（40H）入隊(duì)，然后求該隊(duì)列的平均值，將商返送40H，余數(shù)送十分位。為使顯示結(jié)果盡量精確，可用同樣方法填充百分位、千分位、萬分位和十萬分位。

3.3 格式轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計中，將顯示模塊能識別的計算結(jié)果定義為如下幀格式，即每幀由8字節(jié)（50H～57H）組成。其中50H表示測量值的第一個有效數(shù)字；51H表示52H～56H中還有幾個整數(shù)位，剩下的為小數(shù)部分；57H

表示顯示單位。如12159676表示115．967 MHZ，10985435表示1．98543KHZ。

四。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本設(shè)計方案的正確性以及先進(jìn)性，我們做了大量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)預(yù)置計數(shù)周期為10s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

從前三組試驗(yàn)可知，本設(shè)計對于整數(shù)頻率的測量誤差為0；第四組試驗(yàn)的誤差主要是由顯示位數(shù)的精度不夠引起的，即本設(shè)計最多只能顯示6位，其余的將舍去，其最大誤差是-0.9HZ；后兩組試驗(yàn)的誤差主要是由非整數(shù)頻率引起的，這是直接測頻法先天決定的，經(jīng)過十次求平均可將其控制在-0.1HZ以內(nèi)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本方案將部分影響設(shè)計復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本的功能移至軟件部分來實(shí)現(xiàn)，在不考慮顯示精度引起的誤差的情況下，該方案設(shè)計的數(shù)字頻率計精確度可達(dá)99.9%以上，基本上能滿足大部分使用領(lǐng)域的要求，且該方案具有設(shè)計成本低廉、設(shè)計簡單、精度高、可測頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，值得從事同類開發(fā)人員的借鑒。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種基于CPLD和單片機(jī)相結(jié)合的設(shè)計方案。該方案以直接測頻法為基礎(chǔ)、軟件補(bǔ)償技術(shù)為輔助，大大降低了設(shè)計成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，且較好地解決了誤差問題?？傊?，論文所描述的設(shè)計思想先進(jìn)，對同類使用具有較高參考價值。

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