單片機(jī)下的多功能計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)研究

孫顯

（江蘇省豐縣中等專業(yè)學(xué)校，江蘇徐州，221700）

0 引言

電子測(cè)量中的基本單位是頻率，單片機(jī)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)成本低，在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用。過往設(shè)計(jì)的頻率計(jì)功能較為單調(diào)，只有周期測(cè)量或者頻率計(jì)算功能。在本設(shè)計(jì)中，將過往單一化的設(shè)計(jì)改變，設(shè)計(jì)多功能計(jì)數(shù)器，其中將單片機(jī)作為核心，配置多樣化的線路，完成頻率與周期測(cè)量的同時(shí)，也能分析信號(hào)線位差，頻率測(cè)量范圍自10Hz-1MHz，誤差在1%，深入信號(hào)范圍自0.1VrMS-5VrMS。本次設(shè)計(jì)的多功能計(jì)數(shù)器功能在于提升計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確性，計(jì)算數(shù)值后直接顯示，提升計(jì)數(shù)的精確度，將傳統(tǒng)測(cè)量方法誤差消除。本文分析多功能計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方案，具體內(nèi)容如下。

1 多功能計(jì)數(shù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在計(jì)數(shù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)置同步門電路及計(jì)數(shù)器、顯示部分、基準(zhǔn)時(shí)鐘、鍵盤等（見圖1）。其中信號(hào)通過電路進(jìn)入系統(tǒng)，前級(jí)放大后完成整流，對(duì)電壓進(jìn)行對(duì)比進(jìn)入同步門電路，單片機(jī)進(jìn)行處理，輸入鍵盤數(shù)字后顯示。

圖1 系統(tǒng)框架

除信號(hào)輸入及移相電路外屬于計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，移相電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是便于測(cè)量相位功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)作為核心，STC單片機(jī)功能單一，無法滿足高精度測(cè)量要求，設(shè)置一級(jí)分頻計(jì)算，使單片機(jī)負(fù)荷減輕。輸入信號(hào)范圍在0.5VrMS-5VrMS，可能無法滿足電路需求，信號(hào)在輸入后對(duì)參數(shù)也要進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)經(jīng)過處理后獲得矩形波，將其送到計(jì)數(shù)電路中，完成整個(gè)電路的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。

1.2 周期、頻率測(cè)量

在精度頻率測(cè)量下，單片機(jī)會(huì)發(fā)出預(yù)置門控制信號(hào)GATE，時(shí)間寬度對(duì)測(cè)量精度的影響小，在較大的范圍選擇，在高頻段狀態(tài)下，閘門時(shí)間短。低頻閘門時(shí)間長(zhǎng)，有利于完成全范圍精度測(cè)量，縮減低頻測(cè)量引發(fā)的誤差。通過對(duì)同步門進(jìn)行控制，有利于保證檢測(cè)信號(hào)與基層信號(hào)同步檢測(cè)。同步門開啟后，計(jì)數(shù)器不會(huì)立刻計(jì)算，而是等待被檢測(cè)的信號(hào)上升到一定程度開始計(jì)算，同步門關(guān)閉后計(jì)數(shù)器也不會(huì)立刻停止，而是在被檢測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿達(dá)到后停止。在實(shí)際計(jì)數(shù)過程中，這種設(shè)計(jì)方法有利于提升設(shè)計(jì)精度。通過觸發(fā)器達(dá)到同步觸發(fā)功能，避免發(fā)生較大的誤差，但時(shí)鐘信號(hào)及閘門開關(guān)沒有明確的關(guān)系。時(shí)間計(jì)數(shù)器單純計(jì)算N0值及±1的誤差關(guān)系，時(shí)鐘工作頻率較高，發(fā)生誤差的概率小。

1.3 相位檢測(cè)

在相位檢測(cè)過程中，通過相位差檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)原理框架圖（見圖 2）。

圖2 相位差測(cè)量原理圖

在信號(hào)A、B傳輸過程中，測(cè)量相位差可獲得脈沖時(shí)間寬度。鑒相器輸入信號(hào)上升或者下降，均能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)算，獲得相關(guān)的脈沖寬度。輸入信號(hào)A上升沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，重新進(jìn)行計(jì)數(shù)。輸入信號(hào)B上升沿運(yùn)動(dòng)中獲得數(shù)值np，獲得相位差計(jì)算公式：

該公式中，相差精度與nT具有相關(guān)性，被檢測(cè)信號(hào)頻率往往與計(jì)數(shù)頻率無相關(guān)性，有效消除兩者對(duì)精度產(chǎn)生的影響。

1.4 前級(jí)放大

設(shè)置的輸入信號(hào)范圍在0.5VrMS-5VrMS，在實(shí)際設(shè)計(jì)中范圍較大，還需進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置3VrMS，便于對(duì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，放大電路增益范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。信號(hào)頻率范圍在10-1MHZ，普通運(yùn)放方式無法滿足1MHZ要求，部分頻帶達(dá)到1MHz要求時(shí)，往往喪失放大能力。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)選擇能力強(qiáng)及寬頻帶的運(yùn)放。MAX4266帶寬在350MHz，1MHz頻率上具有較好的放大能力，轉(zhuǎn)換率在900V/μs，保證輸出波形不失真。放大器通過反向比例電路設(shè)置，見圖3。

圖3 反向比例放大器

根據(jù)要求，Rf/RS=0.6-6，為保持一定的余量，取值范圍在0-10。該部分相位測(cè)量具有重要意義。為準(zhǔn)確檢測(cè)相位差，輸入信號(hào)及輸出信號(hào)除相位差異外，其他參數(shù)保持一致，還需對(duì)信號(hào)通路幅值進(jìn)行處理。放大電路增益可采取手動(dòng)調(diào)節(jié)方法，需監(jiān)控信號(hào)線路放大后的幅值變化，隨后對(duì)整流濾波進(jìn)行處理，經(jīng)信號(hào)輸送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，單片機(jī)處理結(jié)果在顯示屏上呈現(xiàn)，使用者能夠輕松將信號(hào)幅值調(diào)節(jié)到一致的區(qū)間。

1.5 波形處理

在波形處理中，正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ǎ嵘蠹?jí)對(duì)信號(hào)的識(shí)別力，包括信號(hào)的抗干擾能力。在波形處理中，對(duì)滯回電壓進(jìn)行增大，有利于提升抗干擾能力，滯回電壓過大容易導(dǎo)致信號(hào)失真。滯回電壓靈敏度稍低，但具有較強(qiáng)的抗干擾能力，滯回比較器電壓為：Ut=+/-[R1（R1+R2）]U。輸入電壓自小變大，通過+Ut時(shí)輸出電壓自高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健］斎腚妷鹤源笞冃。?Ut輸出電壓自低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健８唠娖降降碗娖健⒌碗娖降礁唠娖介y值具有差異性，一旦輸入信號(hào)受到干擾，干擾范圍比回差電壓小，輸出電壓便不會(huì)受到影響。

2 軟件處理

在軟件處理過程中，開始階段對(duì)LCD及ADC初始化，隨后進(jìn)入ADC采集環(huán)節(jié)，等待采集電壓達(dá)到3V后，按下1鍵進(jìn)入頻率測(cè)量狀態(tài)，在測(cè)量過程中，計(jì)數(shù)器及定時(shí)器均完成初始化，隨后進(jìn)入計(jì)數(shù)階段。每來一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器按鍵1會(huì)產(chǎn)生中斷，中斷次數(shù)在10以上，對(duì)頻率及周期進(jìn)行計(jì)算，最后的結(jié)果在屏幕上顯示。頻率處于穩(wěn)定范圍后，按壓2會(huì)進(jìn)入相位測(cè)量循環(huán)，經(jīng)過檢測(cè)后停留在相位畫面。在室溫條件下展開測(cè)量，使用HG1210P函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、DS5062MA數(shù)字示波器對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行分析，獲得頻率測(cè)量數(shù)據(jù)及周期測(cè)量數(shù)據(jù)，見表1、表2。

表1 頻率測(cè)量典型數(shù)據(jù)

表2 周期測(cè)量典型數(shù)據(jù)

表3 相位差測(cè)量典型數(shù)據(jù)

經(jīng)過精度測(cè)量后，計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)頻率及周期的測(cè)量精度較高，10-1MHz范圍內(nèi)相對(duì)誤差保持在1%以內(nèi)。

3 系統(tǒng)改造

在多功能計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中，基于上述多功能計(jì)數(shù)器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，成為一種計(jì)算趣味比賽計(jì)算的計(jì)數(shù)器，滿足比賽計(jì)數(shù)要求，為降低人工計(jì)數(shù)量提供幫助。將STC89單片機(jī)作為核心，其中包括傳感器、工作通道、直流電源、聲光報(bào)警電路、按鍵。在羽毛球運(yùn)動(dòng)、乒乓球運(yùn)動(dòng)、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中可以使用這種計(jì)數(shù)器，改變過往人工技術(shù)的行為，通過傳感器捕捉信號(hào)，將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中處理，從而達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)數(shù)的目標(biāo)。將壓電陶瓷蜂鳴片作為振動(dòng)系統(tǒng)傳感器，壓電蜂鳴片檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海S后經(jīng)過比較后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。在電路板設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)器控制核心使用STC89C52RC單片機(jī)，該單片機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，兼容性良好。

在電路板設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)輸入及輸出兩個(gè)信號(hào)傳輸通道，與上述多功能單片機(jī)一致，數(shù)碼管顯示電路包括2個(gè)，分別是0.36英寸一體化及4英寸一體化共陽(yáng)數(shù)碼管，數(shù)碼管段選端與單片機(jī)P0口連接，數(shù)碼管位選端通過74HC573鎖存器驅(qū)動(dòng)及單片機(jī)P1口連接。按鍵電路中含有模式鍵、高2位鍵、低2位鍵、暫停鍵，對(duì)應(yīng)單片機(jī)不同的端口。在設(shè)計(jì)過程中，融合聲光報(bào)警電路，從而監(jiān)測(cè)異常。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，將壓電傳感器粘貼到乒乓球拍背面，從而監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。按下開始鍵后，通道感受電脈沖信號(hào)，對(duì)是否拍中球及是否計(jì)分進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而準(zhǔn)確計(jì)算運(yùn)動(dòng)過程中的分值，降低誤差率。且無需人工監(jiān)督，一旦發(fā)生爭(zhēng)議可通過視頻復(fù)議，解決長(zhǎng)期的人工計(jì)數(shù)誤差情況。在設(shè)計(jì)過程中，將第一個(gè)設(shè)計(jì)的多功能計(jì)數(shù)器作為基礎(chǔ)，可設(shè)計(jì)更多的多功能計(jì)數(shù)器，滿足不同行業(yè)的計(jì)數(shù)要求，提升計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，在未來研究中，還需對(duì)單片機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行革新，使一種多功能計(jì)數(shù)器，滿足于不同行業(yè)要求的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

在多功能計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)過程中，將單片機(jī)作為核心，突出單片機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。該計(jì)數(shù)器包括外圍電路及單片機(jī)、儲(chǔ)存器等部件，滿足對(duì)周期、頻率、相位差的測(cè)量需求。多功能計(jì)數(shù)器在使用過程中，穩(wěn)定性較強(qiáng)、性能較為可靠，使用較為便利、整體性能良好。在流水線產(chǎn)品計(jì)數(shù)上效果顯著，在未來研究中，可以選擇功能更強(qiáng)及適用性強(qiáng)的單片機(jī)，滿足轉(zhuǎn)速及頻率、周期等測(cè)量要求。