基于FPGA的等精度頻率計

1、限制度）孽儻XIAMEN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY光電與通信工程學院課程設(shè)計報告書課 設(shè)名稱：等精度頻率計年級專業(yè)及班級：姓名：學號：編輯版word一、課程設(shè)計目的1、進一步熟悉 Quartus II的軟件使用方法，熟悉 keil軟件使用；2、 熟悉單片機與可編程邏輯器件的開發(fā)流程及硬件測試方法；3、掌握等精度頻率計設(shè)計的基本原理。4、掌握獨立系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試方法，提高系統(tǒng)設(shè)計能力。實驗設(shè)備EDA最小系統(tǒng)板一塊（康芯）、PC機一臺、示波器一臺、信號發(fā)生器一臺、萬用表一個。二、設(shè)計任務利用單片機與FPGA 設(shè)計一款等精度頻率計，待測脈沖的檢測及計數(shù)部分由FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PG

2、A的計數(shù)結(jié)果送由單片機進行計算，并將最終頻率結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。要求該頻率計具有較高的測量精度，且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度，具體指標如下：a）具有頻率測試功能：測頻范圍 100Hz5MHz。測頻精度：相對誤差恒為基準頻率的萬分之一。b）具有脈寬測試功能：測試范圍 10的仔，測試精度：0.1的。c）具有占空比測試功能：測試精度 1%99%。d）具有相位測試功能。（注：任務a 為基本要求，任務b、 c、 d 為提高要求）三、基本原理基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低，實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試

3、精度。3.1 等精度測頻原理等精度頻率計主控結(jié)構(gòu)如圖1 所示預置門控信號CL 選擇為 0.11s 之間（通過測試實驗得出結(jié)論：CL 在這范圍內(nèi)選擇時間寬度對測頻精度幾乎沒有影響）。 BZH 和 TF 分別是 2 個高速計數(shù)器，BZH對標準頻率信號（頻率為 Fs）進行計數(shù)，設(shè)計數(shù)結(jié)果為 Ns；TF 對被測信號（頻率為Fx）進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果為 Nx,則有MUX64-8 模塊并不是必須的，可根據(jù)實際設(shè)計進行取舍。分析測頻計測控時序，著重分析START的作用，完成等精度頻率計設(shè)計。3.2 FPGA 模塊FPGA 模塊所要完成的功能如圖1 所示，由于單片機的速度慢，不能直接測量高頻信號，所以使用高速F

4、PGA 為測頻核心。100MHZ 的標準頻率信號由FPGA 內(nèi)部的 PLL 倍頻實現(xiàn)，待測信號TCLK 為方波，由信號發(fā)生器給出待測方波信號（注意：該方波信號帶有直流偏置，沒有負電壓，幅值3.3V） 。預制門控信號CL 由單片機發(fā)出，BRNA 和 ENA 分別是 BZH 與 TF 兩個計數(shù)編輯版 word器的計數(shù)允許信號端。FPGA將允許計數(shù)時間內(nèi)的 BZH、TF的運行結(jié)果送入單片機進行最后的計算。頂層文件如下：2以下是把20M 5倍頻的設(shè)置，利用FPGA內(nèi)部的PLL電路需要100M標準頻率信號，F(xiàn)PGA提供20M的頻率，所以需要建立PLL模塊, 使之五杯頻，得到所需的100M信號。功能仿真設(shè)

5、置:下圖是波形仿真的結(jié)果:編輯版word3.3單片機模塊43招Hr.G3 isEn 二Vdt14 ：14.275 mJ5即KI£：MA>wwwnifMwmiwwiwMrmwm>mimwwps 63. 3 m L60.0 us £40. 3 us 320 0 m 400. 口 bz 48l 0 匚 5cpD. 0 nz64 0 o 730.。ns SOO Q az 3ED,0 口5 36。0 naIIiIIjITIZ單片機模塊完成對整個測頻系統(tǒng)的控制，包括對FPGA的控制以及數(shù)碼管的 顯示控制。測頻允許信號由單片機發(fā)出，并且單片機的P0 口負責循環(huán)讀取FPGA 發(fā)

6、送過來的測頻結(jié)果數(shù)據(jù)（BZH、TF兩個計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，每次傳送 8位數(shù) 據(jù)），P2負責發(fā)送控制信號，單片機可以通過結(jié)束信號了解測頻記數(shù)是否結(jié)束， 以確定何時開始讀取數(shù)據(jù)。附上康芯原理圖截圖:E：-四、實驗現(xiàn)象占空比D 0 0 O S Q五、心得體會這周課程設(shè)計的題目是等精度頻率計的設(shè)計，由于書本上有一段程序，所以一開始只是將書上的程序和顯示波形研究了一下。當?shù)秸n程設(shè)計的時候，將書上程序敲入并實現(xiàn)效果后有點茫然的感覺。于是，我又仔仔細細地分析了一遍設(shè)計 原理，從新改變了輸入的代碼，加上自己的思路，并能自己添加預置控制信息 CL模塊。原本我還想將測試頻率顯示在數(shù)碼管上，但是最終沒能實現(xiàn)，這應該

7、是我的一個遺憾吧。設(shè)計中，我感受到了硬件描述語言的強大， 我可以幾乎不用 考慮硬件條件，將代碼導入就可實現(xiàn)功能。不要總想著去依靠書本上的原題或者 是他人，自己思考的做出來的，才算是自己真正收獲的。本次實驗最大的收獲莫 過于，獨立系統(tǒng)的去完成一項任務。在其中我查閱了大量的資料，尤其是數(shù)字電 路、quartersll軟件使用說明、EDA設(shè)計等方面的資料。通過本次學習使我對時序電路有了更深的理解， 具體體現(xiàn)在復位、計數(shù)、鎖存多環(huán)節(jié)的控制上。同時，在這次實驗中，我第一次聯(lián)合單片機和EDA 一起完成一個項目。EDA充分的發(fā)揮其高頻工作的特點，使得頻率測量的上限很高。單片機則在整個系統(tǒng)中充當控制及數(shù)據(jù)處理

8、的作用設(shè)計的優(yōu)點及缺點本頻率計最大優(yōu)點在于它的高精度。信號頻率的測量，不受閘門信號精度的影響。在被測信號送入計數(shù)器之前，先通過D 觸發(fā)器，使閘門信號和被測信號同步，有效地避免了±1誤差。不僅如此，本頻率計對100HZ 至 5MHZ 的全域相對誤差均小于百萬之一。當然，本頻率計也存在缺點。在頻率計的設(shè)計中，乘法器為32位，除法器采用 64位，資源占用率太大。單片機處理32位數(shù)據(jù)的方式有待改進，要是它變得更優(yōu)化六、 系統(tǒng)設(shè)計步驟及程序，結(jié)果FPGA:LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.A

9、LL;ENTITY EQUALFRECOUNT ISPORT(BCLK,TCLK:IN STD_LOGIC;DATA_OUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);EN:IN STD_LOGIC;ADDRESS:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END EQUALFRECOUNT;ARCHITECTURE ARCH OF EQUALFRECOUNT ISSIGNAL EN2,WIDE_TEST:STD_LOGIC;SIGNAL WIDE_COUNT,B_COUNT,T_COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO 0)

10、;SIGNAL SAVE_WIDE,SAVE_B,SAVE_T:STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(EN,TCLK)BEGINIF RISING_EDGE(TCLK) THENEN2<=EN;ELSE NULL;END IF;END PROCESS;PROCESS(EN2,TCLK,BCLK)BEGINIF EN2='1' THENIF RISING_EDGE(TCLK) THENIF T_COUNT=X"FFFF_FFFF" THENT_COUNT<=(OTHERS=>'1'

11、;);ELSE T_COUNT<=T_COUNT+1;SAVE_T<=T_COUNT+1;-SAVE T_COUNTEND IF;ELSE NULL;END IF;IF FALLING_EDGE(TCLK) THENIF WIDE_TEST='0' THENWIDE_COUNT<=B_COUNT;WIDE_TEST<='1'ELSE SAVE_WIDE<=WIDE_COUNT;-SAVE WIDE_COUNT END IF;END IF;IF RISING_EDGE(BCLK) THENIF B_COUNT=X"FFFF_

12、FFFF" THENB_COUNT<=(OTHERS=>'1');ELSE B_COUNT<=B_COUNT+1;SAVE_B<=B_COUNT+1;-SAVE B_COUNT IN SAVE_BEND IF;ELSE NULL;END IF;ELSE-WHEN ENA=0,WE OUTPUT THE DATA AND RESET THE COUNTER.WIDE_COUNT<=(OTHERS=>'0');B_COUNT<=(OTHERS=>'0');T_COUNT<=(OTHERS

13、=>'0');WIDE_TEST<='0'END IF;END PROCESS;PROCESS(ADDRESS,EN2,SAVE_T,SAVE_B,SAVE_WIDE,BCLK)BEGINIF RISING_EDGE(BCLK) THENIF EN2='0' THEN-USE SOME CONSTANTS TO TESTCASE ADDRESS ISWHEN X"0"=>DATA_OUT<=SAVE_T(7 DOWNTO 0);WHEN X"1"=>DATA_OUT<=S

14、AVE_T(15 DOWNTO 8);WHEN X"2"=>DATA_OUT<=SAVE_T(23 DOWNTO 16);WHEN X"3"=>DATA_OUT<=SAVE_T(31 DOWNTO 24);WHEN X"4"=>DATA_OUT<=SAVE_B(7 DOWNTO 0);WHEN X"5"=>DATA_OUT<=SAVE_B(15 DOWNTO 8);WHEN X"6"=>DATA_OUT<=SAVE_B(23 DOWNT

15、O 16);WHEN X"7"=>DATA_OUT<=SAVE_B(31 DOWNTO 24);WHEN X"8"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(7 DOWNTO 0);WHEN X"9"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(15 DOWNTO 8);WHEN X"A"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(23 DOWNTO 16);WHEN X"B"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(31 DOWNTO

16、 24); WHEN OTHERS=>NULL;END CASE;ELSE NULL;END IF;ELSE NULL;END IF;END PROCESS;END ARCH;單片機：/* *.c 文件，文件名：EqualFre_main.c* 各模塊的流程控制*/#include "EqualFre_main.h"int main(void)communicationInit_Ex();while(1)mode = getMode_Ex();/ 確定選擇的模式askForData_Ex();/ 請求數(shù)據(jù)if(HOLD_DATA_MODE != mode)/ 表示沒有

17、固定數(shù)據(jù)時，則載入數(shù)據(jù)loadData();disData();/ 數(shù)據(jù)顯示/ 數(shù)據(jù)載入static void loadData()fre = getFre_Ex();wide = getWide_Ex();duty = getDuty_Ex();/*數(shù)據(jù)顯示中：wData(uchar) 傳入的參數(shù)意義0 - 9 數(shù)字 0-910 - 19 跟了點號的0-920 暗選*/ static void disDelay() / 顯示延時uchar data x,y;for(x=250;x>0;x-) for(y=50;y>0;y-);/ 數(shù)據(jù)顯示-總控disFre(); disDelay

18、(); break;disWide(); disDelay();break;disDuty(); disDelay(); break;static void disData() switch(mode) case SHOW_FRE_MODE: case SHOW_WIDE_MODE: case SHOW_DUTY_MODE: default:break;/*static void disFre() uchar data i;for(i=0;i<8;i+) wData_Ex(1);static void disWide() uchar data i; for(i=0;i<8;i+)w

19、Data_Ex(2);static void disDuty() uchar data i; for(i=0;i<8;i+)wData_Ex(3);*/數(shù)據(jù)顯示-顯示頻率，單位 Hz或MHz （雙模式）static void disFre()uchar data dataTemp8,i;10倍ulong data freTemp = fre;/ 為了顯示1 位小數(shù)，這里已經(jīng)將頻率擴大uchar data flag = 0;/ 消零標志位if(1000000 <= freTemp)/ 當頻率值大于1M 時，使用兆顯示模式freTemp /= 100000;/0.00MHzfor(i=

20、2;i<8;i+) 數(shù)據(jù)從低位到高位裝入數(shù)據(jù)暫存器dataTemp,這里保留 2位,用于顯示nH(即MHz)dataTempi = (uchar)(freTemp%10);freTemp /= 10;dataTemp4 += 10;/ 取 2 位小數(shù)，這里是加入小數(shù)點dataTemp1 = 21;/ndataTemp0 = 22;/Helsefor(i=1;i<8;i+)dataTempi = (uchar)(freTemp%10);freTemp /= 10;dataTemp2 += 10;dataTemp0 = 22;/Hfor(i=0;i<8;i+)/ 數(shù)據(jù)從高位到低位

21、顯示，并進行高位消零操作if(0 != dataTemp7-i)flag = 1;if(0=dataTemp7-i)&&(0=flag)dataTemp7-i = 20;wData_Ex(dataTemp7-i); / 顯示數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)顯示-顯示脈寬，單位us,意味著最大只能測1MHz的頻率static void disWide()uchar data dataTemp8,i;ulong data wideTemp = wide;uchar data flag = 0;for(i=0;i<8;i+)dataTempi = (uchar)(wideTemp%10);wideT

22、emp /= 10;for(i=0;i<8;i+)/ 數(shù)據(jù)從高位到低位顯示，并進行高位消零操作if(0 != dataTemp7-i)flag = 1;dataTemp1|=10;if(0=dataTemp7-i)&&(0=flag)dataTemp7-i = 20;wData_Ex(dataTemp7-i);/ 數(shù)據(jù)顯示-顯示占空比static void disDuty()uchar data dataTemp4,i;uint data dutyTemp = duty;for(i=0;i<4;i+)dataTempi = (uchar)(dutyTemp%10);

23、dutyTemp /= 10;dataTemp2 += 10;wData_Ex(20);/ 補 4 個暗選wData_Ex(20);wData_Ex(20);wData_Ex(20);for(i=0;i<4;i+)wData_Ex(dataTemp3-i);/*.h 文件，文件名：EqulaFre_SGMDisplay.h*SGM 顯示模塊，用于顯示由主程序傳過來的數(shù)據(jù)* 硬件資源：164 時鐘端-P3.1164 數(shù)據(jù)端-P3.0*/#ifndef _EQUALFRE_SGMDISPLAY_H_H_#define _EQUALFRE_SGMDISPLAY_H_H_#include<

24、reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned charsbit sgm_clk=P3A1;164 時鐘端sbit sgm_data=P3A0；/164 數(shù)據(jù)端static uchar code num = / 從低位到高位，高電平有效0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,/數(shù)字 0-90xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67,0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7,/ 帶點號的 0-9 0x00,0x2a,0x6e暗選,n,h;/ 接口函數(shù)vo

25、id wData_Ex(uchar );/ 在數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)#endif/*.c 文件，文件名：EqualFre_SGMDisplay.c*/#include "EqualFre_SGMDisplay.h"/ 接口函數(shù)void wData_Ex(uchar index)uchar data i,byte;byte = numindex;for(i=0;i<8;i+)sgm_clk = 0;sgm_data = (bit)(byte>>i)&0x01);_nop_();sgm_clk = 1;_nop_();/*.c 文件，文件名：EqualFre

26、_modeFromKey.c*/#include "EqualFre_modeFromKey.h" /* 內(nèi)部函數(shù)*/ 按鍵檢測延時static void keyDelay()uchar data x,y;for(x=100;x>0;x-);for(y=200;y>0;y-) ;/ 按鍵掃描/ 選擇模式/ 測頻率/ 下一次測的是脈寬/ 測脈寬/ 下一次測的是占空比/ 測占空比/ 下一次測的是頻率static void keyScan()if(0 = Key_Mode) keyDelay();if(1 = Key_Mode) return ; switch(mod

27、e)case SHOW_FRE_MODE:mode = SHOW_WIDE_MODE; break;case SHOW_WIDE_MODE:mode = SHOW_DUTY_MODE; break;case SHOW_DUTY_MODE:mode = SHOW_FRE_MODE; break;default:mode = SHOW_FRE_MODE; break;while(0 = Key_Mode) ;keyDelay(); if(0 = Key_Hold_Data)keyDelay();if(1 = Key_Hold_Data) return ;mode = HOLD_DATA_MODE;

28、/ 按下 Key_Hold_Data ,即為 Pi1時，數(shù)據(jù)保持不變while(0 = Key_Hold_Data);keyDelay();/* 接口函數(shù)*uchar getMode_Ex(void)/ 返回 mode確定選擇的模式keyScan();return mode; /* .h 文件，文件名：equalFre.h* 模式控制模塊，通過鍵盤來控制模式的選擇，并將所選模式傳遞給函數(shù)* 所使用的硬件資源：頻率顯示、脈寬顯示、占空比顯示的切換建-P1.0測試值保持鍵-Pi1 */#ifndef _EQUALFRE_MODEFROMKEY_H_H_#define _EQUALFRE_MODEF

29、ROMKEY_H_H #include<reg52.h> #define SHOW_FRE_MODE 0#define SHOW_WIDE_MODE 1 #define SHOW_DUTY_MODE 2 #define HOLD_DATA_MODE 3/ 實現(xiàn)頻率顯示，脈寬顯示，占空比顯示的轉(zhuǎn)化#define uchar unsigned char sbit Key_Mode = P1A0;sbit Key_Hold_Data = P1A1;/ 將測得的數(shù)值定住static uchar data mode;/ 內(nèi)部函數(shù)/ 按鍵檢測延時/ 按鍵掃描/ 在數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)static

30、void keyDelay();static void keyScan();/ 接口函數(shù)uchar getMode_Ex(void);#endif /*.h 文件，文件名：EqulaFre_communication.h* 通信模塊，用于和FPGA 通信，獲取頻率、脈寬、占空比的原始數(shù)據(jù)。編輯版 word* 并將處理好數(shù)據(jù)傳給主程序* 所使用的硬件資源：地址線0-P2.0地址線1-P2.1地址線2-P2.2地址線3-P2.3測頻標志位-P2.4數(shù)據(jù)線 P0定時器 T0* /#ifndef _EQUALFRE_COMMUNICATION_H_H_#define _EQUALFRE_COMMUNI

31、CATION_H_H#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define ulong unsigned long#define uint unsigned int#define MY_TH0 0x5d/ 對于 20Mhz 晶振來說，25ms#define MY_TL0 0x3d# define FREE_TIME 80/ 空閑時間，即讓FPGA 測頻率的時間，# define DATA_IN P0# define BASE_FRE 100000000 /FPGA 的基準頻率sbit

32、address。= P2A0;sbit addressl = P2A1；sbit address2 = P2A2;sbit address3 = P2A3;sbit TEST_EN = P2A4;/ 當它為 1 表示測頻結(jié)束static ulong data fre,wide;static uint data duty;/ 內(nèi)部函數(shù)static ulong getSourceData(uchar ); / 從 FPGA 中獲得基準信號，被測信號的數(shù)據(jù)/ 接口函數(shù)50ms*FREE_TIME被測信號的數(shù)據(jù)void communicationInit_Ex(void);void askForDat

33、a_Ex(void);ulong getFre_Ex(void);ulong getWide_Ex(void);uint getDuty_Ex(void);/ 請求數(shù)據(jù)/ 計算頻率值/ 計算脈寬值/ 計算占空比#endif/*.c 文件，文件名：EqualFre_communication.c*/#include "EqualFre_communication.h"/ 從 FPGA 那里獲得頻率、脈寬、占空比的原始值static ulong getSourceData(uchar sourceKind)uchar data byte0,byte1,byte2,byte3;u

34、long data temp = 0;byte0 = byte1 = byte2 = byte3 = 0;switch(sourceKind)case 1:/被測信號T 值address3 = 0; address2 = 0; address1 = 0; address0 = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte0 = DATA_IN;address3 = 0; address2 = 0; address1 = 0; address0 = 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間by

35、te1 = DATA_IN;address3 = 0; address2 = 0; address1 = 1; address0 = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte2 = DATA_IN;address3 = 0; address2 = 0; address1 = 1; address0 = 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte3 = DATA_IN;break;case 2:/基準信號B 值address3 = 0; address2 = 1; address1

36、= 0; address0 = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte0 = DATA_IN;address3 = 0; address2 = 1; address1 = 0; address0 = 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte1 = DATA_IN;address3 = 0; address2 = 1; address1 = 1; address0 = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte2 = DAT

37、A_IN;address3 = 0; address2 = 1; address1 = 1; address0 = 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte3 = DATA_IN;break;case 3:/脈寬 W 值address3 = 1; address2 = 0; address1 = 0; address0 = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte0 = DATA_IN;address3 = 1; address2 = 0; address1 = 0; address0 = 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte1 = DATA_IN;address3 = 1; address2 = 0; address1 = 1; address0 = 0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/FPGA 反應時間byte2 = DATA_IN;address3 = 1; address2 = 0; address1 = 1; address0 = 1; _nop