基于單片機的實用數字信號源與頻率計設計

應朝龍，李超，劉春霞，趙瑞青

（1.海軍航空工程學院山東煙臺264001；2.91604部隊山東龍口265700）

基于單片機的實用數字信號源與頻率計設計

應朝龍1，李超1，劉春霞1，趙瑞青2

（1.海軍航空工程學院山東煙臺264001；2.91604部隊山東龍口265700）

在科研和裝備的檢測工作中經常需要產生一些頻率固定或可變的信號，本設計由單片機、編碼器、按鍵、顯示器產生所需頻率的信號，同時也可以測量輸入信號頻率。實際應用表明，本數字信號源電路簡單、操作使用簡便、性能穩定可靠，能夠很好滿足科研和實驗的要求。

智能儀器設計；數字信號源；頻率計；單片機

在科研、實驗和裝備檢測等很多工作中，經常需要頻率可變或固定的TTL電平信號，也需要測量輸入的TTL電平信號頻率。目前，市場上有各種各樣的數字信號源和頻率計，但這些產品一般都是體積比較大、功能很龐大、價格也比較昂貴，往往不適合一些需要小體積信號源和頻率計的應用場合需要。文中基于單片機技術［1-2［3］和頻率計［4］，該作品能夠很好地產生固定或可變頻率的信號，并能測量輸入信號頻率，可以滿足院校的日常教學使用和裝備或設備維修檢測需要。

1　功能需求與硬件總體方案設計

1.1功能需求

按照一般的實驗設備或裝備維修檢測需要，確定數字信號源和頻率計的主要功能和技術指標為：

1）單脈沖信號源：4路單脈沖信號，按下一個按鍵產生一個正脈沖；

2）固定輸出連續脈沖信號源：1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz、100 kHz方波；

3）頻率可調連續脈沖信號源：10 Hz～10 kHz可調。頻率可設并同步顯示；

4）頻率測量：10 Hz～10 kHz，分辨率2 Hz，更新速度：2次/秒。

1.2硬件總體方案設計

數字信號源和頻率計的設計原則主要是縮小作品體積、降低作品硬件成本、提高作品的可靠性和使用便捷性等?？傮w方案設計主要涉及到顯示器選型、頻率設定電路選型、CPU選型、電路總體結構等方面。針對以上功能需求，確定本作品的硬件電路總體框圖如圖1所示。

圖1　數字信號源硬件電路總體框圖Fig.1Hardware circuit block diagram of the digital signal generator

圖1中，單片機為本作品的控制核心，主要完成人機接口控制、頻率設定、信號輸出和輸入信號頻率測量等功能，采用AT89C52型單片機。為了消除普通按鍵開關產生脈沖時的抖動，單脈沖輸出信號由按鍵S1～S4控制，經單片機處理后分別輸出4路脈沖信號。

編碼器［5］和數位控制按鈕是用于設定頻率可調脈沖的頻率的。編碼器正反轉控制數字在0～9之間的加與減，數位控制按鈕（向左和向右，共2個）用以確定控制的數位。

信號源/頻率計選擇由一位信號控制，高電平（控制開關懸空）為信號源，低電平（控制開關接地）為頻率計。頻率可調輸出與測頻輸入共用一個單片機接口（P3.5）。選擇控制信號和輸出/輸入信號在基板上由一個雙路開關控制。

顯示器采用1602液晶顯示模塊［6］，用以顯示設定的頻率或測量的頻率。

采用蓄電池對整個電路進行供電，可以提高設備使用的便捷性［7］。

2　數字信號源硬件電路設計

數字信號源和頻率計的硬件電路設計主要包括頻率設定電路、顯示電路和單片機電路設計等。

2.1頻率設定電路設計

頻率的設定一般可以采用鍵盤、電位器、撥碼盤和編碼器等。其中鍵盤輸入方式最靈活，但需要較多的單片機接口資源支持，而且產品體積會比較大，不符合本作品小型化設計要求。采用電位器進行輸入時，需要A/D轉換，成本高、電路復雜且難以精確設定，也不太適合。采用撥碼盤設定頻率，優點是顯示與輸入一體化，但需要的單片機I/O資源也比較多，會影響單片機的選型。本設計采用編碼器輸入頻率值。

編碼器可根據內部結構的不同分為高分辨率和低分辨率的，高分辨率編碼器的內部一般采用光電型的，而低分辨率的編碼器則既有光電型的，也有機械接觸式的。對于光電型的，需要由外部為它提供供電電源；對于機械接觸型的，則不需要供電電源。不管何種形式，它們都至少會有A、B兩個輸出信號。當編碼器轉軸旋轉時，這兩個輸出信號波形如圖2所示。

圖2　編碼器輸出信號波形圖Fig.2Waveform of the coder output signal

將信號A輸入到單片機的INT0引腳，信號B輸入到單片機的INT1引腳。然后用INT0的下降沿中斷方式，在INT0中斷服務程序中，根據信號B（即INT1腳）的狀態，來確定脈沖數的加或減。然后將脈沖數與頻率的某一位值相對應，頻率值的數位位置，可以用另外兩個按鈕來選擇。

2.2顯示電路設計

顯示電路設計的關鍵問題是顯示器件的選擇。對于類似于本設計這樣的小型電子產品，可供選擇的器件有LED數碼顯示器和LCD顯示器，其中LED適用于室內，比較醒目；LCD比較精細，顯示信息多。本作品采用LCD1602型字符顯示器。它可以顯示2行各16個字符的各種ASCII碼字符，因此只要設計合理，就可以將要顯示的內容提示、結果信息等全部顯示出來，比一般的數碼管更直觀、更有效。1602字符型LCD顯示器接口信號說明如表1所示。

表1　1602字符型LCD接口信號說明Tab.1 The interface signal instructions of 1602 character LCD

2.3單片機電路及I/O資源分配

綜合考慮上述各種電路及其I/O資源需求，選擇AT89C52單片機作為本作品的CPU，從而得到本作品主控板電路原理如圖3所示。

控板采用AT89C52型單片機作為CPU芯片。主控板的外形設計成與1602型LCD顯示器相同大小，并且其固定孔和連接器位置也與LCD直接對應，這樣便于將其與LCD直接固定為一體，從而既可以縮小測試儀的體積，也便于設備維護。

主控板設計的核心問題是CPU的I/O端口的分配問題，信號源所需的I/O資源如表2所示。

從表2可見，測試儀所需的信號數量為31個，因此一個單片機即可滿足需要。

3　數字信號源軟件設計

3.1軟件系統總體方案設計

信號源采用點陣液晶顯示器來顯示輸出信號頻率和頻率測量結果，設置需要產生的信號頻率過程中，要顯示相關輔助信息和測量結果，這就需要相對復雜的軟件配合［8］。本作品的軟件系統總體框圖如圖4所示。

圖4中初始化程序為所有變量給定初值，并對顯示屏進行清屏、設置顯示模式、光標位置等操作；定頻信號產生程序是通過簡單的運算，然后輸出六路固定頻率的信號；變頻信號產生程序是根據編碼器輸出的信號頻率，通過一系列的計算后，給相應寄存器賦值，從而產生用戶所需頻率的信號；單脈沖信號產生程序主要目的是消除按鍵的抖動信號，使每按一次按鍵就產生一個單脈沖信號；頻率測量程序用于外部輸入信號頻率的測量；頻率設定程序是利用單片機的外部中斷測量輸入信號，從而確定需要輸出的頻率；顯示程序［9］負責幫助用戶設定所需要的輸出頻率和對輸入信號頻率進行顯示。

圖3　主控板電路原理圖Fig.3Schematic diagram of the main board

表2　信號源的I/O資源需求Tab.2 The I/O source requestments of signal generator

圖4　信號源系統總體框圖Fig.4Block diagram of the signal generator system

3.2軟件系統主程序流程設計

由于系統可以輸出多種模式的信號，同時還兼有頻率計的功能，所以每個模塊執行的子程序中要求給予輸入參數提示。系統主程序流程如圖5所示，在初始化階段，對系統中相關參數進行定義賦初值，初始化后進入功能設置，根據功能鍵值，調用對應的功能模塊子程序。根據提示輸入所需要設置的參數，確認后按執行鍵執行。

圖5　系統主程序流程圖Fig.5Flow diagram of the system main program

4　結論

根據上述軟硬件設計方法制作了數字信號源和頻率計樣機，并對樣機進行了參數測量。實測結果表明，本數字信號源可以便捷地產生頻率固定或可變的連續脈沖信號和單脈沖信號，且可以實現對輸入信號頻率的測量。整機結構簡單、性能穩定、便于攜帶，因此既可以應用于院校的日常教學實驗中，也可以用于裝備的日常檢修中，具有較高的性價比。

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Design of the practical digital signal generator and frequency meter based on single-chip micro-computer

YING Chao-long1，LI Chao1，LIU Chun-xia1，ZHAO Rui-qing2
（1.Navy Aeronautical and Astronautical University，Yatai 264001，China；2.No.91604 Unit of PLA，Longkou 265700，China）

In the work of scientific research and test of equipment，some signals with fixed or variable frequency are usually needed.To reduce the cost，single chip and some simple peripherial components are used in the design to produce the signals with the needed frequency，at the same time to complete the measurement of frequency.The application results show that，with the advantages of simple principle and operation and stable performance，the digital signal generator can better satisfy the need of scientific research experiment.

the design of intelligent instrument；digital signal generator；frequency meter；single-chip micro-computer

［TN98］

A

1674-6236（2015）20-0141-03

2015-01-12稿件編號：201501086

應朝龍（1964—），男，浙江仙居人，碩士，副教授。研究方向：智能儀器設計。