基于CPLD與51單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計(參考)課件

1、基于CPLD與51單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計 組 員：趙聰（2012128089） 關(guān)珊珊（2012128022） 謝葉青（2012128068） 成民民（2012128011） 劉慧（2012128040） 馬商牟司（2012128044） 班 級：1211電子信息工程 指導老師：張 靜目錄一、背景二、總體方案設(shè)計與分析三、模塊電路設(shè)計四、軟件設(shè)計五、性能測試和實物演示一、背景 數(shù)字頻率計是通信設(shè)備、視、音頻等科研項目生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的重要測量儀器?；趥鹘y(tǒng)頻率測量原理的頻率計的測量精度將隨被測頻率信號頻率的下降而下降，在實際應(yīng)用中有較大的局限性。如果要求只使用一種測量方法而對整個頻率范圍內(nèi)的

2、頻率信號的測量都能達到同樣的精度，就只能采用等精度頻率測量方法。而基于CPLD與51單片機的數(shù)字頻率計不但能在整個頻率測量區(qū)域內(nèi)保持恒定的頻率測量精度，且具有較高的頻率測量精度。因此，等精度頻率測量技術(shù)在現(xiàn)實的應(yīng)用非常廣泛。二、總體方案設(shè)計與分析2.1 測頻原理分析 2.1.1頻率測量方案 方案一：周期頻率測量法。這種頻率測量方法需要有標準的頻率信號，在待測信號的一個周期內(nèi)，對提供的標準信號進行周期計數(shù)。這種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生最大為1個脈沖誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值有關(guān)，為了保證頻率的測量精度，周期測量法僅適用于頻率較低的待測信號的頻率測量。 方案二：等精度頻率測量法，測量的精度保

3、持一個定值，不隨所測信號頻率的變化而變化。在快速測量的要求下，如果要得到較高的頻率測量精度，那么必須采用較高頻率的標準信號。由于單片機本身時鐘頻率不高，同時受到若干指令運算的限制，測頻速度較慢，無法滿足高精度、高速的測頻要求；而采用集成度高、速度快的現(xiàn)場可編程門陣列CPLD能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高速的頻率測量。 方案三：直接頻率測量法。直接率測量的方法就是在確定的單位時間內(nèi)，檢測被測信號的脈沖數(shù)。由于設(shè)置的單位時間通常不是被測頻率信號的周期的整數(shù)倍數(shù)，這種測量方法的脈沖計數(shù)也會產(chǎn)生最大為1個脈沖誤差。當我們進一步分析測量誤差：設(shè)待測信號脈沖周期為 ,頻率為 ，當測量時間為 時，測量準確度為 ，由上面

4、的推導可知直接頻率測量的準確度與被測信號的頻率有關(guān)：當被測信號的頻率越高則測量精度也就越高，反之頻率的測量精度也越低。因此直接頻率測量的方法一般只適合測量頻率較高的被測信號，不能滿足在整個頻率段內(nèi)測量精度保持不變的要求。2.2 數(shù)字頻率計的系統(tǒng)設(shè)計 由于單片機的運算能力強，速度較慢，CPLD的速度快但是運算能力有限，故本設(shè)計采用CPLD與單片機組合的測量方法，本設(shè)計主要包括CPLD測頻部分，單片機數(shù)據(jù)處理以及LED顯示部分,整體機構(gòu)框圖如下圖。圖2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、模塊電路設(shè)計3.1 電源部分電路 通過MINIUSB口輸入5V電壓一路直接給單片機的需要5V的電路供電。另外，在5V輸出端引出一

5、路通過AMS1117降壓穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換，得到3.3V電壓輸出，供CPLD和液晶模塊使用。3.3單片機最小系統(tǒng) 本電路是系統(tǒng)中央控制部分，實現(xiàn)對按鍵的識別，控制液晶顯示，以及控制和采集得到CPLD的數(shù)據(jù)。圖3.3單片機最小系統(tǒng)3.4 CPLD測頻模塊 CPLD部分主要是計數(shù)部分。在測量頻率時計數(shù)器是對被測信號和標準信號進行計數(shù)，在測量占空比時計數(shù)完成分別在待測信號的高電平對標準信號計數(shù)和低電平對標準信號計數(shù)。圖3.4 CPLD部分電路3.5 液晶顯示模塊 本設(shè)計中，液晶顯示部分用的是能夠顯示漢字的價格便宜的Nokia5110液晶作為顯示器。Nokia5110液晶顯示器由48行X84列輸出，所有的顯

6、示功能集成在一塊芯片上，包括 LCD 電壓及偏置電壓發(fā)生器，并且只須很少外部元件，采用 CMOS 工藝，且功耗小。使用的是串行總線外部連線少。管腳與功能表如下表：按鍵識別函數(shù)的編程思路是：本設(shè)計用到了5個按鍵，K1到K4四個按鍵分別標記執(zhí)行4個過程函數(shù)，通過按鍵按下設(shè)置標識F=x(1.2.3.4)。按鍵K5為啟動暫停按鍵，在周期測量，占空比測量和頻率測量中實現(xiàn)開始測量和暫停讀數(shù)的功能。程序流程圖如下：圖4.2按鍵識別函數(shù)流程圖 顯示函數(shù)的編程思路為：在顯示函數(shù)中判斷標識F=x(1.2.3.4)執(zhí)行相應(yīng)的過程函數(shù)。K=1主界面顯示，K=2頻率測量及液晶顯示，K=3周期測量及液晶顯示，K=4占空比

7、測量及顯示，K=5啟動與暫停。程序流程圖如下：圖4.3顯示函數(shù)流程圖4.2 CPLD軟件設(shè)計 CPLD?？鞂崿F(xiàn)的功能是：當SPUL信號為高電平時系統(tǒng)允許完成頻率測量，首先CLR一個正脈沖是內(nèi)部的32位數(shù)據(jù)清零，再將CL置為高電平，此時斌沒有開始計數(shù)，當被測信號出現(xiàn)上升沿時SPULP=1，計數(shù)器才開始對被測信信號和標準信號計數(shù)，等待一會再將CL置0，計數(shù)并未停止，知道待測信號的出現(xiàn)上升沿為止START=0;計數(shù)結(jié)束標志。當SPUL信號為低電平時人、允許占空比測量，此時CL和CLR的功能發(fā)生了變化，當CL=1時測量信號高電平的脈寬，當CL=0時，測量信號低電平的脈寬，CLR變?yōu)?時系統(tǒng)初始化，由1變?yōu)?時啟動計數(shù)，而允許計數(shù)的條件此后的第一個脈寬。狀態(tài)信號EEND變?yōu)?是作為計數(shù)完成告訴單片機。編程后的軟件仿真圖如下：圖4.7 CPLD頻率測量仿真圖5.1 設(shè)計實物圖五、性能測試和實物演示圖5.1 實物圖5.2 功能介紹首先通過USB接口接通電源，按下開關(guān)給系統(tǒng)供電，此時電源指示燈會亮，系統(tǒng)啟動，液晶顯示提示信息,按下相應(yīng)的按鍵，實現(xiàn)對應(yīng)的功能，當我們按下K2時進入頻率測量當我們接入待測信號后按下K5開始測量，再按下K5測量暫?？?/p>