基于Nios Ⅱ的等精度頻率計設(shè)計

摘 要:采用Nios Ⅱ作為系統(tǒng)控制單元，輔以適當?shù)能洝⒂布Y源完成以FPGA為核心的等精度頻率計設(shè)計。利用FPGA對同步門的控制，使被測信號和標準信號在實際閘門時間內(nèi)同步測量，實現(xiàn)了等精度頻率測量，提高了測量精度。利用Nios Ⅱ技術(shù)開發(fā)的頻率計具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠的特點，并且可以靈活地實現(xiàn)定制應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:FPGA;Nios Ⅱ;等精度;頻率測量

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-084-02

Design of Equal Precision Frequency Meter Based on Nios Ⅱ

WU Aiping，F(xiàn)U Qingqing

(College of Electronics and Information Engineering，Yangtze University，Jingzhou，434023，China)

Abstract:The equal precision frequency meter with FPGA is designed by control unit Nios Ⅱ in the system，which is su-pported by appropriate software and hardware resources，the system controls the synchronous door through FPGA so that the measured signal and standard signal can be measured synchronously at the real gate-time，so the equal precision measurement is realized and precision is improved.The frequency meter system based on Nios Ⅱ technology has features such as simplified hardware structure，stable and reliable performance，it can be achieved at custom-made applications flexibly.

Keywords:FPGA;Nios Ⅱ;equal precision;frequency measurement

0 引 言

在電子工程、資源勘探、儀器儀表等相關(guān)應(yīng)用中，頻率計是工程技術(shù)人員必不可少的測量工具，頻率測量也是電子測量技術(shù)中最基本最常見的測量之一。不少物理量的測量，如轉(zhuǎn)速、振動頻率等的測量都涉及到或可以轉(zhuǎn)化為頻率的測量[1]。傳統(tǒng)的頻率測量方法有直接測頻法和測周法，在一定的閘門時間內(nèi)計數(shù)，門控信號和被測信號不同步，計數(shù)值會產(chǎn)生一個脈沖的誤差[2]。基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化，傳統(tǒng)的直接測頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實際應(yīng)用中有較大的局限性[3]。為適應(yīng)實際工作的需要，本文提出一種基于Nios Ⅱ的等精度數(shù)字頻率計的設(shè)計，以Nios Ⅱ作為測量控制核心，利用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)門控信號和被測信號的同步。基于Nios Ⅱ技術(shù)設(shè)計的等精度數(shù)字頻率計不但具有高度集成、小巧輕便、便于攜帶等特點，而且具有較高的測量精度，在整個被測頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。

1 等精度頻率測量

1.1 等精度頻率計的測量原理

等精度測頻基本原理是利用控制器產(chǎn)生一個軟件閘門信號(預(yù)置閘門)，由軟件閘門信號和被測信號共同產(chǎn)生實際閘門信號，實際閘門信號和被測信號同步，保證實際閘門時間是被測信號周期的整數(shù)倍，消除了對被測信號產(chǎn)生的±1周期誤差[4]。等精度頻率的測量原理如圖1所示[5]。

圖1 等精度測量原理圖

1.2 等精度頻率計的測量誤差

實際閘門信號由軟件閘門和被測脈沖信號共同決定，利用被測脈沖信號的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生[6]。在實際閘門時間固定且為被測信號周期整數(shù)倍的條件下，有T=NxTx，Tx為被測信號的周期，是待測量;Nx為在實際閘門T內(nèi)對被測脈沖的計數(shù)值，其測量的絕對誤差為0。標準脈沖信號頻率為fs已知，在實際閘門T內(nèi)對標準脈沖計數(shù)，計數(shù)值為Ns，時間為T′=NsTs。由于實際閘門信號與標準脈沖信號不相關(guān)，Ns的計量有誤差，ΔNs≤±1，導(dǎo)致T′≠T，相對誤差不大于1/Ns。由此可知，相對測量誤差與標準信號fs頻率有關(guān)，而與被測信號頻率的大小無關(guān)[7]。

2 FPGA內(nèi)部設(shè)計

2.1 FPGA內(nèi)部邏輯模塊設(shè)計

FPGA內(nèi)部邏輯模塊設(shè)計是本設(shè)計的核心部分，它包括利用硬件描述語言實現(xiàn)的數(shù)字邏輯模塊和Nios Ⅱ的定制以及其中的軟件設(shè)計，數(shù)字邏輯模塊利用VHDL語言編寫，邏輯模塊有同步模塊、計數(shù)鎖存模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。fs為標準脈沖頻率，fx為被測信號頻率，GATE信號為預(yù)置門閘信號，EN為實際門閘信號，作為兩個計數(shù)器的控制使能，Ns為標準脈沖計數(shù)，Nx為被測信號脈沖計數(shù)。同步電路的設(shè)計是等精度測頻的關(guān)鍵，在門閘時間內(nèi)保證是被測信號周期的整數(shù)倍，設(shè)計時利用被測信號的上升沿觸發(fā)，將預(yù)置門閘信號在上升沿時輸出，用一個D觸發(fā)器即可實現(xiàn)。計數(shù)器1和計數(shù)器2分別對標準脈沖和被測信號脈沖進行計數(shù)，門閘信號EN作為計數(shù)器的計數(shù)使能，高電平時允許計數(shù)器計數(shù)，低電平時計數(shù)器保持當前值，門閘信號的下降沿鎖存計數(shù)器的計數(shù)值，待Nios Ⅱ讀取后發(fā)出清零信號CLR，計數(shù)器清零。

圖2 FPGA內(nèi)部設(shè)計邏輯模塊圖

2.2 Nios Ⅱ 定制與編程

Nios Ⅱ是Altera公司于2004年5月推出的新一代32位RISC嵌入式軟核處理器，用戶可以根據(jù)需要自行定制[8]。在Quartus中啟動SoPC Builder，添加CPU和外圍設(shè)備，外部設(shè)備有定時器、2個32位的輸入端口、2個1位的輸出端口、LCD端口和SDRAM，圖3是構(gòu)建的Nios Ⅱ模塊，圖4顯示了完整的系統(tǒng)配置及其地址映射。定制的Nios Ⅱ 模塊是控制部件，相當于一個CPU[9]，負責定時發(fā)送預(yù)置門閘信號，讀取計數(shù)器在實際門閘信號時間內(nèi)計數(shù)的值并按照公式fx=fs#8226;Nx/Ns進行計算和顯示，在讀完計數(shù)數(shù)據(jù)后發(fā)送清零信號。

圖3 Nios Ⅱ構(gòu)建模塊

圖4 系統(tǒng)配置及其地址映射

NiosⅡ軟核是系統(tǒng)的核心，Nios Ⅱ IDE是Nios Ⅱ系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具，相應(yīng)的函數(shù)豐富，語法簡便，采用文件操作的方式訪問系統(tǒng)外設(shè)，設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)十分方便地設(shè)計系統(tǒng)的軟件[10]。Nios Ⅱ的開發(fā)是在Nios Ⅱ IDE環(huán)境下進行，利用C語言編寫，Nios Ⅱ完成的主要任務(wù)有:預(yù)置門閘信號的發(fā)出，門閘信號由定時器控制;讀取FPGA中兩個計數(shù)器計數(shù)的值Ns，Nx，按照公式Ns/fs=Nx/fx計算顯示fx;發(fā)出計數(shù)器的清零的控制信號，待讀取數(shù)據(jù)后清零。程序流程圖如圖5所示。

圖5 Nios Ⅱ 軟件流程圖

3 結(jié) 語

基于Nios Ⅱ的等精度頻率計的設(shè)計，充分利用FPGA內(nèi)部硬件資源，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建Nios Ⅱ，采用VHDL編寫底層模塊，C語言編寫上層應(yīng)用程序，大大降低外圍測量硬件電路的復(fù)雜性，使電路結(jié)構(gòu)更加簡潔，提高了頻率計工作的可靠性。

參考文獻

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