畢業(yè)設計（論文）基于CPLD多功能等精度數(shù)字頻率計的設計

1、河南機電高等專科學校畢業(yè)設計/論文緒論測頻一直以來都是電子和通訊系統(tǒng)工作的重要手段之一。高精度的測頻儀和頻率發(fā)生器有著廣泛的市場前景。以往的測頻儀都是在低頻段利用測周的方法、高頻段用測頻的方法，其精度往往會隨著被測頻率的下降而下降。該測頻儀利用等精度的測頻原理，保證了整個測試范圍內恒定的測試精度。在器件選擇上，該測頻儀采用atmel公司生產的at89c51單片機和altera公司所生產的max 7000系列中的epm7128slc84-15。at89c51是一種低功耗、高性能的8位cmos單片機。片內有4kb的閃爍可編程/擦除只讀存儲器(fperom)，并且與mcs-51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容

2、。芯片上的fperom允許在線或采用通用的編程器對其重復編程，可循環(huán)寫入/擦除1000次。并且有寬工作電壓范圍、存儲數(shù)據(jù)保存時間長(10年)等優(yōu)點。是一款性價比較高的單片機。epm7128slc84-15是在altera公司的第二代max結構基礎上，采用先進的氧化物半導體e2prom技術制造的?？扇菁{各種各樣、獨立的組合邏輯和時序邏輯函數(shù)?？梢钥焖俣行У闹匦戮幊蹋⒈ＷC可編程擦除100次。epm7128slc84-15包含128個宏單元。每16個宏單元組成一個邏輯陣列塊，同時，每個宏單元有一個可編程的“與”陣和固定的“或”陣，以及一個具有獨立可編程時鐘、時鐘使能、清除和置位功能的可配置觸發(fā)器

3、。單片機的軟件采用匯編語言編寫，cpld的各種功能塊用vhdl語言描述實現(xiàn)。測頻儀器性能也各不相同。該測頻儀將cpld的高速高可靠性、單片機的靈活控制功能和等精度測頻原理較高的測量精度相結合，具有速度快、功能全、精度高等特點，適合于教學及科研工作使用。第1章 等精度測頻原理1.1等精度測頻原理等精度測頻的實現(xiàn)方法可以用圖1-1來簡化說明。圖1-1 等精度測頻原理框圖圖1-1中的門控信號是可預制的寬度為tpr的一個脈沖。count1和count2是兩個可控計數(shù)器。標準頻率信號從count1的時鐘輸入端clk輸入，其頻率為fs；經整形后的被測信號從count2的時鐘輸入端clk輸入，設其實際頻率為

4、fxe ，測量頻率為fx。當門控信號為高電平時，被測信號的上沿通過d觸發(fā)器的q端同時啟動計數(shù)器count1和count2。對被測信號fx和標準頻率信號fs同時計數(shù)。當門控信號為低電平時，隨后而至的被測信號的上沿將使這兩個計數(shù)器同時關閉。設在一次門控時間tpr中對被測信號計數(shù)值為nx。對標準頻率信號的計數(shù)值為ns。則：（標準頻率和被測頻率的門寬時間tpr完全相同）就可以得到被測信號的頻率值為：誤差分析如下：在一次測量中，由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在tpr時間內對fx的計數(shù)nx無誤差；在此時間內fs的計數(shù)ns最多相差一個脈沖，即，則下式成立：所以有： 根據(jù)相對誤差公式有：代

5、入整理得：又因為：所以：即：其中：由以上推導結果可得出下面結論：(1) 相對測量誤差與頻率無關。(2) 增大tpr或提高fs，可以增大ns，減少測量誤差，提高測量精度。(3) 標準頻率誤差為fs/fs，由于晶體的穩(wěn)定度很高，標準頻率誤差可以進行校準。(4) 等精度測頻方法測量精度與預置門寬度和標準頻率有關，與被測信號的頻率無關。在預置門時一間和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度在整個測量范圍內保持恒定不變，而常規(guī)的直接測頻法（在低頻時用測周法，高頻時用測頻法），其精度會隨著被測信號頻率的下降而下降。1.2 基本性能指標(1) 頻率測試功能：測頻范圍0.1hz

6、60mhz，測頻精度：測頻全域相對誤差恒為百萬分之一（由led的顯示位數(shù)決定）。(2) 周期測試功能：信號測試范圍與精度要求與測頻功能相同。(3) 脈寬測試功能：測試范圍0.11s1s，測試精度0.01s。(4) 占空比測試功能：測試精度1%99%。第2章 硬件電路設計2.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)組成原理框圖如圖2-1所示。由一片cpld完成各種測試功能，對標準頻率和被測信號進行計數(shù)。單片機對整個測試系統(tǒng)進行控制，包括對鍵盤信號的讀入與處理；對cpld測量過程的控制、測量結果數(shù)據(jù)的處理；最后將測量結果送led顯示輸出。被測信號整形電路主要對被測信號進行限幅、放大、再經施密特觸發(fā)器整形后送入cpld

7、。用50mhz的有源晶振作為cpld的測試標準頻率。電源部分采用220v交流電經變壓、濾波、穩(wěn)壓后得到5v電壓供整個系統(tǒng)使用。單片機由外接12mhz標準晶振提供時鐘電路。圖2-1 系統(tǒng)原理框圖2.2 鍵控制模塊圖2-2為按鍵接口電路，因為按鍵數(shù)量較少，所以采用獨立式按鍵結構。圖2-2 鍵盤接口電路每個按鍵各接一根輸入線，從而使一根線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它線上的工作狀態(tài)。八個按鍵通過一片并入串出的74ls165接入單片機，單片機的p3.0口為串行數(shù)據(jù)輸入線，p3.1口提供741.s165移位所需的時鐘信號，p3.2口控制74ls165的并行置入和串行移位信號線。p3.5為信號封所線，防止按

8、鍵按下時的強電流對顯示造成影響。按鍵的消抖用軟件延時的方法實現(xiàn)。八個鍵分別為測頻、測周期、測占空比、測脈寬、自校五個功能鍵和0.1秒、1秒、10秒三個時間鍵。74ls165的8個i/0口通過3k的電阻接高電平，當掃描到某一位為低電平時表示有按鍵按下。2.3 顯示模塊測試結果輸出顯示模塊如圖2-3所示。8位8段led采用共陽極接法，顯示方式為靜態(tài)顯示，靜態(tài)顯示方式顯示亮度較高，而且顯示狀態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)實際亮度需求每段led接5k的限流電阻。at89c51的p3.0口為數(shù)據(jù)輸出線，數(shù)據(jù)經8片出入并處74ls164以串行方式送入led（數(shù)據(jù)從最右端串行移入），每片74ls164驅動一只led。p3.1

9、為串行移位時鐘線。p3.4為數(shù)據(jù)封鎖線。圖2-3 顯示模塊2.4 單片機主控模塊如圖2-4所示，該模塊主要完成單片機對cpld的控制。單片機p1口的8根口線為控制信號線，具體控制功能如下：pl.0 (end)：脈寬計數(shù)結束狀態(tài)信號，end=1計數(shù)結束。pl.1 (tf)：tf=0時等精度測頻，tf=1時測脈寬。p1.2 (choise)：自校/測頻選擇，choise=1測頻，choise=0自校。p1.3 (start)：當tf=0時，作為預置門閘，門寬由鍵盤輸入值決定，start=1時預置門打開，start=0時關門；當tf=1時，start有第二功能，此時，當start=0時測負脈寬，當s

10、tart=1時測正脈寬，利用此功能可分別獲得脈寬和占空比數(shù)據(jù)。p1.4 (clr/trig)：當tf=0時系統(tǒng)全清零功能，當tf=1時clr/trig的上跳沿將啟動count2,進行脈寬計數(shù)。p1.5 (eend)：等精度測頻計數(shù)結束狀態(tài)信號，eend=0時計數(shù)結束。p1.6 (adra)；p1.7 (adrb)：計數(shù)值讀出選通控制。若令ad=adra, adrb，則當ad=00、01、10、11時可從p0口和p2口由低8位至高8位分別讀出兩組4個8位計數(shù)值。單片機p0口的8根口線接cpld的a0a7口，輸出的是標準頻率的計數(shù)值。單片機p2口的8根口線接cpld的b0b7口，輸出的是被測頻率的

11、計數(shù)值。圖2-4 單片機主控模塊2.5 輸入信號整形模塊圖2-5為輸入信號整形電路。被測信號經限幅電路（由兩片in4148組成）限幅后，由兩級直接耦合放大器放大，最后再由施密特觸發(fā)器整形，送入cpld進行測頻。該電路r，c參數(shù)根據(jù)實際所測信號的帶寬確定，如頻率較高（大于70mhz）則電路和pcb布線都需作較大改動。本測頻儀調試階段所用信號為信號發(fā)生器輸出的標準信號，故對該電路部分未做深入分析，如果要做實際應用，該電路部分還需進一步研究。圖2-5 輸入信號整形模塊2.6 cpld實現(xiàn)模塊該系統(tǒng)的測試功能都是由cpld完成的。根據(jù)等精度的測頻原理，利用vhdl語言編寫各部分邏輯模塊，實現(xiàn)框圖如圖2

12、-6所示。圖2-6 測試原理框圖fch模塊為測頻、測周、自校選擇控制模塊，contrl1控制標準頻率和被測頻率的計數(shù)裝置，contrl2為脈寬和占空比測量的控制模塊，count1、count2是兩個32位的計數(shù)器，分別對標準頻率和被測頻率進行計數(shù)，并將計數(shù)結果由8位總線輸出到單片機。2.6.1 測頻/測周期的實現(xiàn)測頻/測周期時，先由單片機給出控制信號，令tf=0，choise=1，選擇測頻/測周，再由單片機將clr端置高完成測試電路的初始化。接下來單片機將門控信號start置為高電平，由被測信號的上升沿將兩個計數(shù)器同時打開，對被測頻率和標準頻率同時進行計數(shù)。定時結束后，單片機把contrl的s

13、tart端置為低電平。在被測信號的下一個脈沖的上沿到來時，count1停止計數(shù)，同時關斷count2對fs的計數(shù)。計數(shù)結束后由eend端輸出的低電平來指示計數(shù)的結束，單片機即可通過adra、adrb分別讀回標準頻率和被測頻率的計數(shù)值。圖2-7是控制部分電路。如圖所示，當start為高電平時，緊接著fin的下一個高電平使q端置高，將標準頻率由clk2送入conut2進行計數(shù)，被測頻率由clk1送入count1進行計數(shù)，同時將eend置為高電平，作為結束狀態(tài)標志。當start為低電平時，緊接著的fin的下一個脈沖上升沿將兩個計數(shù)器通道切斷，并將eend置為低電平，通知單片機計數(shù)已結束。圖2-7 測

14、頻/測周期控制電路2.6.2 脈寬和占空比測量模塊設計圖2-8為脈寬測量電路圖。在測量開始前先向電路的clr端送一個正脈沖以便進行電路的工作狀態(tài)初始化。然后將gate的cnl端置為高電平，表示開始脈沖寬度的測量。在被測脈沖的上升沿到來時，contrl2的pul端輸出高電平，標準頻率進入到count2。在被測頻率下降沿到來時，contrl2的pul端輸出低電平，計數(shù)器count2被關斷。最后山單片機讀出計數(shù)結果，并通過測量原理中的計算公式得出脈沖寬度。contrl2子模塊的主要特點是：電路的設計保證了只有contrl2被初始化過后才能工作，否則pul輸出始終為零。只有在先檢測到上升沿后pul才為

15、高電平，然后在檢測到下降沿時，pul輸出為低電平；endd輸出高電平以便通知單片機計數(shù)已經結束；如果先檢測到下降沿，pul并無變化；在檢測到上沿并緊接一個下沿后，contrl2不再發(fā)生變化直到下一個初始化信號到來。圖2-8 脈寬測量電路圖2.7 電源模塊整個電路的供電電源如圖2-6所示，220交流電經變壓、濾波后，由一片7805將輸出電壓穩(wěn)壓在+5v。圖2-9 電源模塊第3章 軟件部分設計3.1 單片機主程序圖3-1表示單片機主程序流程圖。各種測試功能流程如下：系統(tǒng)初始化后，由鍵盤掃描子程序讀入要執(zhí)行的功能鍵。比如要執(zhí)行的功能為測頻功能，那么讀入鍵之后馬上跳轉到測頻子程序，測頻子程序先置測頻控

16、制位clr（p1.4），tf（p1.1）， choise（p1.2），將cpld內的計數(shù)器清零，然后通過鍵盤將頂置門的時間值讀入單片機，打開預置門進行測頻計數(shù)，等預置門時間到后，關斷預置門，cpld關斷預置門后將給單片機一個結束信號，單片機讀到結束信號后，通過置adra，adrb的四個狀態(tài)，分四次將測頻結果的32位數(shù)據(jù)讀入單片機，計算后將結果轉換為bcd碼送led顯示輸出。測周期時只要將計算結果由頻率值取倒轉換為周期值即可。自校子程序與測頻子程序相同。脈寬的測量子程序與周期測量子程序基本一致，只是脈寬測量是在被測信號的脈寬內對標準頻率進行計數(shù)，所以在cpld內要有對上下沿的處理過程，而且技術結

17、果為一組數(shù)據(jù)，不像測頻和測周期一樣同時對被測信號和標準信號進行計數(shù)。占空比子程序是在脈寬子程序的基礎上，先付一個脈寬進行計數(shù)，測得計數(shù)值為n1，然后將輸入信號反相，再測其脈沖寬度，測得計數(shù)值為n2，則可以計算出：在空閑狀態(tài)程序始終掃描鍵盤，等待輸入，并在led上顯示cpuready的字樣。執(zhí)行完某一功能后程序又會回到鍵盤掃描狀態(tài)上來。圖3-1 單片機主程序流程圖圖3-2為測頻子程序流程圖，測周期、測脈寬等子程序除了計算部分有所區(qū)別外其余與測頻子程序流程基本一致，這里不再詳細列出。圖3-2 測頻子程序流程圖測頻主程序：key1: lcall clear ；調led熄滅子程序lcall time

18、；調tpr時間值mov r0, 20h clr p1.1 ；tf=0測頻setb p1.2 ；choise=1setb p1.4 ；系統(tǒng)初始化（clr=1）clr p1.4setb p1.3 ；start=1dely: acall d_100ms djnz r0, dely clr p1.3 ；start=0eend: mov c, p1.5 ；將eend狀態(tài)送至c jc eend mov a, #pp111111b ；置p3.7（adra），p3.6（adrb）=0 anl p3, a nop mov a, p0 ；將ns的值存入7073h單元 mov 70h, a ；將nx的值存入7477

19、h單元 mov a, p2 mov 74h, a setb p3.6 nop mov a, p0 mov 71h, a mov a, p2 mov 75h, a setb p3.7 clr p3.6 nop mov a, p0 mov 72h, amov a, p2 mov 76h, a setb p3.6 nop mov a, p0 mov 73h, a mov a, p2 mov 77h, a mov r0, #80h ；50m標準頻率轉換為16進制為2faf080 mov r1, 0f0h mov r2, #0fah mov r3, #02h ；r3為最高位 mov r4, 74h mo

20、v r5, 75h mov r6, 76h mov r7, 77h acall mul_sub ；調四字節(jié)乘法子程序 acall ndiv ；調除法子程序 acall bin_bcd ；調二進制轉換bcd碼子程序 acall extd ；調字節(jié)展開子程序 acall disp ；送led顯示 ret字節(jié)展開子程序：extd: mov r1, #30h mov r7, #04hagan: mov a, r0 mov r3, a anl a, #00001111b mov r1, a mov a, r3 inc r1 anl a, #11110000b mov r1, a inc r1 inc r

21、0 djnz r7, agan ret延時0.1s子程序：d_100ms: mov r7, #0c8hdl12: mov r6, #0f9hdl11: djnz r6, dl11djnz r7, dl12retled熄滅子程序：clear: mov r7, #08hmov r0, #30hmov a, #12h ；顯示熄滅abcl: mov r0, ainc r0djnz r7, abclret3.2 顯示子程序其流程圖如圖3-3。顯示數(shù)據(jù)由單片機的串行口p3.0送出，p3.1口提供串行移位的時鐘信號，p3.4口控制數(shù)據(jù)的輸出。顯示的數(shù)據(jù)存放在從30h開始的工ram單元中。串行口設為方式0。顯

22、示用查表的方式，將要顯示的段形碼預先存入以tab開頭的碼表中。圖3-3 顯示子程序流程圖具體程序如下：disp: setb p3.4 ；開顯示控制 mov r7, #08h ；置顯示個數(shù) mov r0, #30h ；置顯示緩沖區(qū)指針 mov scon, #00h ；設串行口方式0send: mov a, r0 add a, #0dh ；設置偏移值 movc a, a+pc mov sbuf, a ；啟動發(fā)送wait: jnb ti, wait clr ti inc r0 djnz r7, send clr p3.4 rettab: db 0c0h, 0f9h, 0a4h, 0b0h, 99h,

23、 db 92h, 82h, 0f8h, 80h, 98h, db 88h, 83h, 0c6h, 0a1h, 86h, 8eh, db 7fh, 0ffh, 0c6h, 8ch, 0c1h, db 0ceh, 86h, 88h, 0a1h, 91h, db 86h, 0c8h, 0f8h, 86h, 0ceh, db 0bfh, 92h, 0f0h,3.3 鍵盤掃描子程序該程序采用查詢方式進行工作。程序開始后，先在led上給出cpuready的提示字，然后進入鍵盤掃描方式。單片機通過74ls165不斷查詢鍵盤，當有鍵輸入時，將鍵值讀入到預存單元，然后采用軟件消抖的方法，用軟件延時10ms，再讀

24、鍵值，和原鍵值進行比較，若和原值不相同，證明是由抖動引起的。重新掃描鍵盤。若相同，則跳轉到相應功能子程序執(zhí)行。相應功能子程序開始執(zhí)行后，對按鍵不會再響應，直至程序執(zhí)行完為止，再進入鍵盤掃描狀態(tài)。具體程序如下：keyin : acall load ；裝入cpureadyacall disp ；調顯示子程序start: clr p3.2 ；并行置入鍵值setb p3.2 ；允許串行移位mov scon, #000a0000b ；設置串行口模式0，啟動接受wait: jnb ri, waiticlr rimov a, sbufanl a, #1fh ；屏蔽高三位（時間值）mov r3, a ；暫存鍵

25、值acall d_10ms ；延時，去抖clr p3.2setb p3.2mov scon, #0001000bwait2: jnb ri, wait2clr rimov a, sbufanl a, #1fhmov 20h, acjne a, 21h, keyincjne a, #ieh, t0_2acall key1 ；測頻子程序t0_2 cjne a, #1dh, t0_3acall key2 ；測周期子程序t0_3 cjne a, #1bh, t0_4acall key3 ；脈寬測量t0_4 cjne a, #17h, t0_5 acall key4 ；自效子程序t0_5 cjne a,

26、 #0fh, startacall key5 ；占空比測量jmp keyin延時10毫秒子程序：d10_ms: mov r7, #14hloop1: mov r6, #0f9hloop2: djnz r6, l00p2djnz r7, loop1ret提示字裝入子程序：load: mov r7, #08hmov r0, #30hmov a, #13hld: mov r0, ainc r0inc adjnz r7, ldret3.4 時間值輸入子程序鍵盤設有三個時間值鍵，分別為0.s 、1s和10s，來控制預置門的開關時間。在執(zhí)行功能子程序之前會提示先輸入時間值（在led上顯示enter-sj）

27、。測高頻時用0.1秒作門控時間，在滿足測量精度要求下可減少計數(shù)值，減少程序運算量。測低頻時，用1秒或10秒作門控時間，由其在測低于1hz 的低頻時，至少要選擇10秒的門控時間，才可能使被測信號被計數(shù)一個以上的脈沖。其程序執(zhí)行過程與鍵盤掃描子程序相同。具體程序如下：time: mov r7, #08hmov r0, #30hmov a, #19h ；顯示enter-sjlp: mov r0, ainc r0inc r0djnz r7, lplcall dispbegin: clr p3.4setb p3.4mov scon, 0001000bwt1: jnb ri, wticlr rimov a

28、, sbufanl a, #0e0h ；屏蔽功能鍵mov r3, alcall d_10msclr p3.4mov scon, #0001000bwt2: jnb ri, wt2clr rimov a, sbufanl a, #0e0hmov 22h, acjne a, 22h, begincjne a, #0c0h, s_10mov 20h, #01hrets_10 cjne a, #0a0h, s_20mov 20h, #0ahmov 20h, #0ahrets_20 cjne a, #0a0h, s_20mov 20h, #0ah ；start=0.1srets_20 cjne a, #

29、60h, beginmov 20h, #0ah ；start=1srets_20 cjne a, #60h, gegin mov 20h, #64h ；start=10sret3.5 計算及數(shù)值轉換子程序單片機讀入測頻計數(shù)結果后，還要根據(jù)等精度測頻原理進行計算，才能得到最終的測量結果。這部分計算主要包括：四字節(jié)數(shù)乘法子程序；八字節(jié)數(shù)除以四字節(jié)數(shù)除法子程序；二進制轉換日cd 碼子程序。3.6 誤差來源探討表3-1是一組實驗測試數(shù)據(jù)結果：表3-1實驗測試數(shù)據(jù)預置門寬被測參考頻率被測頻率值標準頻率值10s1hz147185153010s1hz147185432010s1h1

30、22hz123499703901s122hz123499703851s122hz123499703870.1s978hz99050175190.1s978hz99050175180.1s978hz99050175190.1s125khz12525050095180.1s125khz12525050095190.1s125khz12525050095190.1s256khz25050050097200.1s256khz25050050097190.1s256khz2505005009719本頻率計樣機的制作和調試已全部完成，各種測試指標達到預期目標。由于沒有比理論誤差史高精度的頻率源，所以只能作

31、誤差來源可能性的探討，無法準確的測出其相對誤差。現(xiàn)將誤差來源作如下分析：按照等精度測頻原理的理論分析，其測頻相對誤差應為，即使在門寬時間為0.1s 時，其相對誤差也在百萬分之一以上，而現(xiàn)有條件無法提供精度在千萬分之一以上的被測頻率。但在實際測頻過程中，被測頻率每次的測試結果都穩(wěn)定不變，標準頻率計數(shù)值只有在個位出現(xiàn)誤差，這和理論計算的結果是相吻合的，證明該頻率計己達到預計設計要求。預計誤差來源有以下兒和可能：(1) 被測頻率的不穩(wěn)定性（如信號發(fā)生器在產生1khz的頻率時總是在ikh和999hz上跳動）。(2) 單片機在產生門寬信號時其上升沿和下降沿的建立時間過長，每次產生的門寬信號不一樣，造成計

32、數(shù)結果的誤差。(3) 由于該頻率及采用8位led顯示，最高顯示精度為百萬分之一，其舍去位數(shù)仍有有效數(shù)字，所以會造成低于測量精度的顯示誤差。第4章 結束語多功能等精度數(shù)字頻率計的設計己接近尾聲，在整個設計過程中所出現(xiàn)的一系列問題，使我受益頗豐。在硬件的做板過程中，由于經驗不足，出現(xiàn)了元件布局不恰當；自定義封裝過孔太小等問題。焊接時由于pcb板的制作工藝較粗糙，經常會出現(xiàn)焊接短路問題，排除起來比較麻煩。在調試過程中，對標準頻率的計數(shù)較準確，但被測頻率的計數(shù)出現(xiàn)了錯誤。由于標準頻率用的是單片機的p0口按收，而被測頻率用的是p2口接收，p2口在單片機的使用過程中經常被用作地址線的高8位，目前推測有可能是仿真器在工作過程中已經運用了p2口，導致p2 口在接收cpld數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了