基于51單片機軟核的數字頻率計設計

湯書森，李欣，吳瑯，尹岑

(蘭州大學信息科學與工程學院，蘭州 730000)

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基于51單片機軟核的數字頻率計設計

湯書森，李欣，吳瑯，尹岑

(蘭州大學信息科學與工程學院，蘭州 730000)

以FPGA和51單片機軟核為核心，設計了一個數字頻率計，實現了頻率、周期、時間間隔和占空比的測量。系統主要包含3個部分：整形放大電路、FPGA門控處理電路和顯示電路，整形放大電路采用TI高速比較器TLV3051來實現整形放大，用FPGA搭建數字電路來測量各參數，通過LCD來顯示所測參數的值。

FPGA；數字頻率計；51單片機軟核

1　方案論證與比較

1.1寬帶整形放大電路方案比較與選擇

方案1：整形放大電路先將信號放大成FPGA可檢測的電壓，然后通過整形把正弦波變成方波。由于要放大的信號為1 Hz～100 MHz，而信號的峰峰值為20 mV～1 V，所以必須將信號通過寬帶放大器將小信號放大，然后通過整形電路將信號整形成FPGA可測量的方波。對于不同幅度的電壓，放大的倍數不同，考慮到該硬件電路在短時間內較難完成，且成本較高，故不選用。

方案2：采用TI的TLV3051高速比較器，由于該芯片的響應時間為4.5 ns的rail to rail輸出，整形后可直接作為FPGA的測試信號，故將它搭建為高頻信號的整形電路，但由于高頻比較器響應時間很短，對高頻噪聲很敏感，而低頻信號上一般疊加有一定的高頻信號，這就導致輸出信號沿容易產生抖動，故測量低頻信號時可采用LM393低頻比較器對低頻信號整形。該方案可以實現有效值10 mV～1 V以及10 Hz～100 MHz的信號放大整形。

綜合比較，方案2更加簡單易行，故采用此方案。

1.2參數測量模塊的比較和選擇

(1) 頻率、周期測量

方案1：系統測頻、測周期部分采用中小規模數字集成電路。中小規模集成電路應用技術成熟，能可靠地完成頻率計的基本功能，但由于系統功能要求較高，所以電路過于復雜，而且多量程轉換開關使用不便。

方案2：采用測頻集成芯片。它只需要外接幾個元器件，就可以構成一臺體積小、成本低的多功能計數器，但由于其測量頻率范圍有限(0～10 MHz)，不能很好地滿足題目要求。

方案3：采用FPGA作為控制核心，門控信號在FPGA內部產生。FPGA是現場可編程芯片，極大地提高了設計的靈活性，測試使用的FPGA開發板含有20 MHz的外部晶振，可倍頻至2 GHz。綜合考慮，最終選定方案3。

(2) 時間間隔測量

方案1：通過測量兩路信號的相位差，結合所測同頻信號周期得出兩路信號的時間間隔。該方案的關鍵部分在于硬件電路(包括整形、鑒相和A/D轉換電路)，低通濾波器的設計比較復雜，誤差較大。

方案2：對兩路測試信號進行異或操作，再在FPGA內對異或后的信號脈沖t的寬度進行計數。這種方案操作簡單，可以同時保證低頻和高頻部分的精度。綜上所述，選擇方案2。

(3) 占空比測量

方案1：信號連接單片機定時器的捕獲端口(上升觸發)測量方波的周期T，雙邊沿觸發測量高電平持續時間，兩者比值即為占空比。該方式由于單片機自身時鐘的限制，所測頻率很難提高。

方案2：對占空比的測量可以通過測量正反兩個脈寬的計數值來獲得。對正脈寬計數值是N1，負脈寬計數值為N2，所以占空比為N1/(N1+N2)×100%。由于FPGA的時鐘頻率很高，可以有很高的精度和頻率，所以選擇方案2實現。

1.3顯示模塊的比較和選擇

方案1：采用LCD12864液晶顯示模塊，優點是帶有文字庫，可以顯示圖像效果和8×4個漢字，價格比LCD1602稍貴。

方案2：采用LCD1602液晶顯示模塊，缺點是只能顯示字母、數字和符號，不能顯示文字，但是價格便宜、功耗更低，故選擇方案2。

1.4整體實現方案

考慮到FPGA(含51軟核)的編程的靈活性和使用51單片機的方便，實現方案(采用的開發板型號為KX_7C5E+),整體實現方案如圖1所示。

圖1　整體實現方案

鍵盤電路完成初始化、頻率、占空比等測量的輸入選擇，然后通過FPGA完成處理，結果在LCD上顯示。

1.5提高儀器靈敏度的措施

考慮到干擾和電路帶來的問題，采用如下措施提高儀器的靈敏度：

① 采用同軸電纜；

② 采用高精度比較器；

③ 提高FPGA的時鐘信號。

2　硬件電路設計

2.1比較放大電路

比較放大電路如圖2所示,本電路的功能是對50 mV～1 V的高頻交流小信號進行整形和放大。輸入信號經過電壓比較器正端和接GND的負端比較，由于THV3051是軌到軌推挽輸出，當信號電壓大于0時，輸出正電源電壓，當輸入信號小于0時輸出0。

圖2　比較放大電路

2.2低頻電壓比較器

低頻電壓比較器功能是對50 mV～1 V的低頻交流信號進行整形和放大,其原理同上。

2.3頻率測量電路

圖3采用等誤差測頻法實現對待測信號頻率的測量。預置門控信號是CL引腳，它是一個寬度為Tpr的脈沖，inst9、inst10是兩個可控計數器，標準頻率信號從inst9的時鐘輸入端BCLK輸入，其頻率為fcs。經過整形、放大后的被測信號從inst10的輸入端TCLK輸入，其頻率為fx。當預置門控信號為高電平時，經整形后的被測信號上升沿通過D觸發器Q端同時啟動計數器inst9、inst10。inst9、inst10分別對整形后的被測信號和標準信號同時計數；預置門控信號為低電平時，經整形后的被測信號的一個上升沿將使這兩個計數器同時關閉。

圖3　頻率的測量電路

設在一次預置門控信號為Tpr中，被測信號計數值為Nx,標準信號的計數值為Ns，則有下式成立：

Nx·Tx=Ns·Ts

即fx/Nx=fcs/Ns，于是有fx=(Nx/Ns)·fcs。

測出頻率后根據公式T=1/f直接可得出周期。

2.4時間間隔測量原理

T1和T2為兩個被測的同頻信號，T1或T2的上升沿到來時會觸發與它相連的T觸發器發生翻轉，經異或門后輸出的高電平即為脈寬時間t。時間測量原理圖如圖4所示。

圖4　時間間隔測量原理圖

對兩路測試信號進行異或操作，再在FPGA內對異或后的信號脈沖t的寬度進行計數。其中BENA為計數器的使能信號，當BENA為高電平時計數器開始計數，當BENA為低電平時計數器停止計數。

2.5占空比測量原理

如圖5所示，對占空比的測量可以通過測量正反兩個脈寬的計數值來獲得。設圖5中inst9對正脈寬的計數值為N1，對負脈寬的計數值為N2，則周期計數值為N1+N2，于是占空比為：

k=[N1/(N1+N2)]×100%

圖5　占空比測量原理

3　軟件設計

本系統主要功能由FPFA內部信號處理電路實現，軟件部分主要是通過FPGA內部的51單片機軟核，以及VHDL語言、C和匯編語言來實現相應的控制、數據處理和顯示功能。整體軟件實現流程圖如圖6所示。

圖6　軟件實現流程圖

4　測試方案和測試結果

在測量有效值電壓為10 mV、50 mV及1 V時，對應頻率為1 Hz、10 MHz和50 MHz的測量值，從而評估儀器整體性能。

測試方案及測試條件:采用160 MHz雙通道任意函數發生器、200 MHz示波器(GDS-2202A)、頻率計FCA3000。

測試結果記錄如表1所列。

表1　設定標準頻率在不同有效電壓值下的測量結果

結　語

基于FPGA設計的數字系統應用日益廣泛，本文詳細介紹了不同方案的比較和選擇，最終設計了一個數字頻率計，并完成了測量，充分體現了基于FPGA的51單片機軟核在實現嵌入式系統方面的靈活性和高效性。

[1] 夏宇聞,黃然.Verilog SOPC高級實驗教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[2] Peter J.Ashenden.Verilog 嵌入式數字系統設計教程[M].夏宇聞，夏嘉寧，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3] 張洪潤，張亞凡，孫悅，等.FPGA/CPLD應用設計200例(上、下冊)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[4] 郭天祥.C51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2013.

[5] 閻石.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2005.

湯書森(高級工程師)，主要研究方向為嵌入式系統與應用。

Digital Frequency Meter Based on 51 Microcontroller Soft Core

Tang Shusen,Li Xin,Wu Lang,Yin Cen

(College of Information Science and Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

In the paper,a digital frequency meter is designed which is based on FPGA and 51 microcontroller softcore.The design achieves the frequency measurement,period measurement,time interval measurement and duty cycle measurement.The system mainly consists of three main parts:the shaping amplifier circuit,FPGA gating processing circuit and display circuit.TI TLV3051 is used to achieve shaping amplification,FPGA is used to build digital circuit to measure various parameters,and the LCD is used to display the values of the measured parameters.

FPGA;digital frequency meter;51 microcontroller soft core

TP39

A

(責任編輯：楊迪娜2015-11-02)