工業(yè)2簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)

：計(jì)數(shù)單元，比較單元，脈寬調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測(cè)量，并且實(shí)現(xiàn)了脈寬和占：；TheSimpleFrequencyCounterbasedonFangMin,HouQili,LiMiao,Zhang:Thehigh-precisionandwide-rangefrequencycounterisanimportantmeasuringinstrumentbecausethefrequencymeasurementisneededinmanyfields.Themeasurementprincipleofmulti-periodsignalisadoptedinourdesign.Itusesastandardfrequencysignaltofillthemeasuredsignalofintegralnumberperiodinordertoeliminate1countingerror.Itsmeasurementaccuracyonlyreliesonthegatecontroltimeandthestandardfrequency.Thismethodesthelimitationoftraditionalmeasuringperiodormeasuringfrequencydirectly,andcansatisfytherequirementofhighaccuracy.ADSPchip(TMS320F2812)isselectedasthecore-processingunitbecauseitpossessesthehigh-precisionclockandcanperformthefastcalculation.Itsevent-managerssuchascaptureunit,timer/counterunit,comparatorunitandpulse-widthmodulationcircuit()areutilizedeffectivelytorealizethehigh-precisionfrequencymeasurement,thepulse-widthmeasurementandtheoccupancyratio:high-precisionfrequencymeasurement;pulse-widthandoccupancyratiomeasurement;multi-periodmeasurementprinciple;DSP德州儀器（TI）公司研制生產(chǎn)的新一代DSP——TMS320F28X，它既具有一般期測(cè)量原理，充分利用DSP上豐富的外設(shè)資源，并設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路及串行通訊電路，從DSP的高速信號(hào)處理的能力完成頻率（周期）、脈寬、占空比的高精度測(cè)量，以及測(cè)量結(jié)果的PC顯示。~~1～22-1及DSP豐富的片內(nèi)外設(shè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種測(cè)量精度和被測(cè)頻率無(wú)關(guān)的軟硬件相結(jié)合的3-1TTTT圖3- 定時(shí)器1（T1），圖中的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)為150MHz時(shí)鐘頻率的8分頻。測(cè)量階段需硬——D 1，當(dāng)其接收到一個(gè)整周期的被測(cè)信號(hào)時(shí)即可產(chǎn)生比較輸（T1，低電平有效），如圖3-1所示。同時(shí)產(chǎn)生比較中斷，在中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行如下操作：捕獲1的棧值（t2_1）,清定時(shí)器1、2上溢次數(shù)，使能捕獲3，使能定時(shí)器3；實(shí)際測(cè)量階段，當(dāng)定時(shí)器3定時(shí)（預(yù)置時(shí)間）結(jié)束，借助于D觸發(fā)器在被測(cè)信號(hào)升沿）。捕獲1的棧值（t2_2）和捕獲3的棧值(t1_2)。圖3- 為150MHz時(shí)鐘頻率的2分頻。中進(jìn)行如下操作：此時(shí)捕獲4的棧值，復(fù)位定時(shí)器4的上溢中斷標(biāo)志位，將捕獲5設(shè)當(dāng)捕獲5中斷標(biāo)志位置位時(shí)，其棧值和定時(shí)器4的上溢次數(shù)。這種狀況，設(shè)計(jì)了等效時(shí)間采樣算法，即通過(guò)對(duì)重復(fù)信號(hào)的多次采樣把在信號(hào)的不同周期中采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,從而能夠重建原始的信號(hào)波形。與實(shí)時(shí)采樣不同,等效采樣只能用于重復(fù)信號(hào),但信號(hào)頻率可以很高。設(shè)測(cè)得頻率為Fx，被測(cè)頻率真實(shí)值為Fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，在一次測(cè)量中，預(yù)置閘門時(shí)間為T'，被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值為Ns。Fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的，在T'時(shí)間內(nèi)對(duì)Fx的計(jì)數(shù)Nx無(wú)誤差；在此時(shí)間內(nèi)Fs的計(jì)數(shù)Ns假設(shè)相差n個(gè)脈沖，即et Fx/NxFs/Fxe/NxFs/(Ns

Fx(Fs/Ns)*

FxeFxeFxe

Fxe Qet

n

NsTpr* 若預(yù)置時(shí)間Tpr=0.0128s，Ns0.0128*150'000'000/8 n*4.16*T113預(yù)置時(shí)間來(lái)加以克服，同時(shí)考慮到DSP內(nèi)部高速的時(shí)鐘頻率，這并不會(huì)明顯的增加測(cè)已將DSP內(nèi)部的高速時(shí)鐘頻率進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆诸l，所以相對(duì)于量化誤差，校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻設(shè)被測(cè)信號(hào)脈寬為Twx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)頻率為Fs，則脈寬的測(cè)量精度TwxNx/Twx/Twx(1*Fs)/(Nx*Fs)1/NxTwx*FsFs一定時(shí)，脈寬越小，誤差越大。當(dāng)Twx100sFs150275MHz時(shí)，Nx7500，則有Twx/Twx1/75001.33*1040.0133后能夠達(dá)到的穩(wěn)定程度，擬定將DSP內(nèi)部的高速時(shí)鐘頻率進(jìn)行兩分頻。同頻率測(cè)量一樣，系統(tǒng)主要是由電源管理模塊，輸入調(diào)理模塊，信號(hào)處理模塊，通訊模塊和D觸發(fā)器3-3

圖3- 又要考慮到幅值較大信號(hào)的放大增益限制(DSP的輸入電壓過(guò)3.3V)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)入信號(hào)被統(tǒng)一調(diào)理為幅值為0.28伏左右的交流信號(hào)。信號(hào)將是幅值為1.1V左右的交流信號(hào)。觸發(fā)器的選擇，選擇將信號(hào)利用加法電路進(jìn)行0.9V偏置。模塊，所以被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)理之后，就可以由DSP進(jìn)行采樣，從而得出信號(hào)的幅值。MAX3221完成。源。另外，該模塊還保證了F2812FLASH的有效復(fù)位。PAPAAP9OAP6O圖4- 制，該運(yùn)放采用5V電源供電，因此，該輸出信號(hào)的幅值被限制在5V4-12.5mA。此時(shí)，輸出信號(hào)的幅值被限制在0.22V~0.28V我們?cè)O(shè)計(jì)采用高速運(yùn)放OPA2960實(shí)現(xiàn)將該部分的輸入信號(hào)放大四倍，實(shí)現(xiàn)電路如圖4-1所示，其中R4=10K，R5=8.2K，R6=40.2K。輸入（放大電路的輸出）進(jìn)行0.9V偏置。這樣，得到的信號(hào)幅值變化范圍為：（0.22*4.020.9 0.22*4.020.91.78V）（0.28*4.020.90.22V 0.28*4.020.92.02V），實(shí)際的輸出介于這兩個(gè)范圍之間，而它們對(duì)于觸發(fā)器SN74都是是合適的。該部分的具體實(shí)現(xiàn)方法為：偏置電路的輸出端信號(hào)幅值為VO，而放大電路之后、偏置電路之前的信號(hào)幅值為Vmid。由運(yùn)放的性質(zhì)，我們可以得到Vmid4.02VI（POWER20.45V），VO0.9Vmid，這樣也就實(shí)現(xiàn)了放大和偏置VO0.94.02VI4-1整形電路：該模塊即為觸發(fā)器，選定器件為SN74，當(dāng)供電電源為3.3V時(shí)，它的下限為0.84V，上限為1.5V。通過(guò)這一模塊，被測(cè)信號(hào)就被調(diào)理為DSP的輸入信號(hào)，（0*4.020.9 0.22*4.020.91.78V）至（0*4.020.90.28*4.020.92.02V）的單極性信號(hào)，實(shí)際的輸出介于這兩個(gè)范圍之間，而它們對(duì)于觸發(fā)器SN74都是合適的。PPAAP9O圖4- ADC0.5V~3V之間的交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)此模塊以后，調(diào)理為0.25V~1.5V之間的交流信號(hào)。圖4-2中，R11=R12=10K。1.5V，POWER1.5V4-2C1=47F，R7=R9=10K，R8=5.1K保護(hù)電路：通過(guò)使用特基二極管進(jìn)行鉗位而得以實(shí)現(xiàn)，如圖4-2所示，此時(shí)選取鉗位電壓為3.3V。本設(shè)計(jì)中采用的DSP型號(hào)為TMS320F2812，它是到目前為止C2000系列中性能最EVAEVAD4-3GPIOADC。在測(cè)量的過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)的要求，需要在預(yù)置時(shí)間到來(lái)后的被測(cè)信號(hào)的第一個(gè)上升沿，使得T1產(chǎn)生跳變信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)如果將T1 對(duì)應(yīng)的獨(dú)立切斷引腳(T1CTRIP)置位為0，其輸出將為高電平。所以，本設(shè)計(jì)方案中添加了一硬件——D觸發(fā)器，預(yù)置時(shí)間結(jié)束時(shí)置位的現(xiàn)如圖4-4所示：

DDT1CTRIQ圖4- D觸發(fā)器的使Q令執(zhí)行時(shí)間為6.67ns。這從而為高速和處理信號(hào)提供了保障。因而，系統(tǒng)中F2812由30MHz150MHz。轉(zhuǎn)換模塊，其波特率最高可達(dá)250Kbit/s。電源管理模塊模塊提供模擬電源±5V、0.45V、1.5V，數(shù)字電源3.3V和1.8V。為此，系統(tǒng)外部選擇±12V由于模擬部分負(fù)載電流小，因而±12VL7805、L7905OPA2960提供±5V模擬參考電源。由于系統(tǒng)數(shù)字部分負(fù)載電流較大且供電電TPS767D3015V3.3V1.9VDSP及其最小系統(tǒng)部分，另外還有在信號(hào)調(diào)理部分中的觸發(fā)器和D觸發(fā)器)供電。部倍頻至150MHZ，因而F2812的核電壓要求為1.9V左右（1.81V～2.0V），所以此處TPS767D301的第二個(gè)輸出通過(guò)電阻將其配置為輸出1.9V左右。信號(hào)調(diào)理部分的偏置電壓，則是由圖4-5圖4- 其中，+5VL7805供給。R16,R17,R19為固定電阻，R18為高精度可調(diào)電阻，其共同構(gòu)成了分壓電路。圖4-5中TL431為穩(wěn)壓器件，將其兩端的電阻限制在2.5V。通過(guò)調(diào)節(jié)可4-5R16=2K,R17=68K,R19=15K,R18滿量程為200，精度為0.1%。設(shè)計(jì)時(shí)，提供了如上所示的偏置電壓供給?？驁D如圖5-1所示。5-1系統(tǒng)功能框圖 為減小測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，所測(cè)結(jié)果均取平均值。利用CPU_Timer0后，重新初始化定時(shí)器和捕獲單元，進(jìn)入下一輪測(cè)量。主程序流程如圖5-2所示。CPU_TimerYNNY

圖5-2主程序流程中斷向量表的初始化。EV簡(jiǎn)單，并且所有程序都是按照一定的順序執(zhí)行，將要測(cè)量頻率時(shí)，定時(shí)器1、2T3CINTPDPINTA位的過(guò)程中，定時(shí)器1、2皆有可能發(fā)生上溢。高頻時(shí)定時(shí)器1最多溢出3次（此時(shí)被測(cè)信16MHz），22861（0.1Hz）。為便于程序設(shè)計(jì)，使能定時(shí)器1、2的上溢中斷來(lái)記錄上溢次數(shù)；測(cè)量過(guò)程中，捕獲單元捕獲的是定時(shí)器1的比較輸出信號(hào)，對(duì)捕獲棧值的實(shí)時(shí)性要求不高，因而定時(shí)器1、2上溢中值的實(shí)時(shí)性要求高，因此，在等待CAP5INT置位的過(guò)程中，程序是通過(guò)查詢定時(shí)器4的上溢測(cè)量幅值時(shí)，復(fù)用定時(shí)器3，利用其周期中斷來(lái)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。AD每次轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)，即12，其用來(lái)記錄標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)。等待T1CINT置位。2、T1CINT置位后，捕獲1的棧值（即定時(shí)器2的初值t2_1）；清零定時(shí)器1、3、T3CINT置位后，程序?qū)?到GPIOA0口。硬件的電路設(shè)計(jì)中，已將GPIOA0口連接至邊沿觸發(fā)器的D輸入端，而將被測(cè)信號(hào)連接至邊沿觸發(fā)器的CLK輸入端。于是，在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，邊沿觸發(fā)器輸出與D輸入端相同的電平信號(hào)（低電平），此信號(hào)由硬件連接至T1CTRIP1的比較輸出，同時(shí)，PDPINTA1（2t2_2）31t1_2)。由所得數(shù)據(jù)計(jì)算頻率（周期），定時(shí)器1、2和捕獲1、3。頻率計(jì)算公式為： 定時(shí)器3使用150MHz內(nèi)部時(shí)鐘，64分頻，其比較值設(shè)置為30000，故預(yù)置時(shí)間0.0128s。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率小于5.12MHz時(shí)，定時(shí)器1將不會(huì)發(fā)生上溢，所以實(shí)際測(cè)量的時(shí)間即是定時(shí)器1比較輸出的有效電平時(shí)間。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率大于5.12MHz時(shí)，定時(shí)器1發(fā)生上溢，因而會(huì)發(fā)生多次比較匹配。但程序設(shè)計(jì)時(shí)，僅對(duì)第一次比較匹配進(jìn)行相應(yīng)操作；發(fā)生多次比較匹配后，捕獲1和3也將會(huì)多次捕獲到定時(shí)器1比較輸出跳變，但程序中只PDPINTA中斷標(biāo)志位置位后的捕獲值作為5-3可將中斷標(biāo)志位置位），啟動(dòng)定時(shí)器4和捕獲4（CAP4），等待CAP4INT置位5CAP5FIFO1CAP5INT1、完成一次頻率測(cè)量以后，程序?qū)PIOA0口置位為1，邊沿觸發(fā)器則會(huì)在被測(cè)信號(hào)的 NYYNYNNY41T4CAP4SCI與其它異步外設(shè)之間使用標(biāo)準(zhǔn)非歸零碼（NRZ）進(jìn)行數(shù)字通信。SCI的和發(fā)送器各自具有一個(gè)16級(jí)深度的FIFO，以減少CPU開銷，而且它們還有各自獨(dú)立的使能位和中斷位。6500據(jù)接收和發(fā)送的字符為：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。TMS320F2812與PCMODBUS協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、.節(jié)節(jié)奇偶校驗(yàn)位(可不使用)、1bit停止位(有校驗(yàn)時(shí))或2停止位(無(wú)校驗(yàn)時(shí))。位機(jī)響應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，回送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給上位機(jī)顯示。系統(tǒng)中需要應(yīng)用MODBUSMODBUS協(xié)議命令格式約定如下：03H功能碼格式：從機(jī)地址03首地址寄存器個(gè)數(shù)CRC校驗(yàn)從機(jī)地址03首地址寄存器個(gè)數(shù)CRCRS23220kps，傳15米。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有定義連接器的物理特性，因此出現(xiàn)了DB—25，DB—5-1DB9123456789數(shù)據(jù)相連，如圖5-5所示：5-5DS-9設(shè)計(jì)中采用VisualC++6.0編制上位機(jī)通信程序。應(yīng)用VisualC++開發(fā)串行通信目前通常有如下幾種方法：一是利用WindowsAPI通信函數(shù)；二是利用VisualC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)_inp,_inpw,_outp，_outpw,_outpd等直接對(duì)串口進(jìn)行操作；三是使用 m控件；本設(shè)計(jì)中采用第四種方法。CSerialPort類是由MuMegaTechnologies公司提供的一個(gè)VisualC++類，利用它可以很輕松地完成一般串口編程任務(wù)，幾分鐘就可搭好串口NNY5-6下位機(jī)程序中，當(dāng)檢測(cè)到接收FIFO中斷標(biāo)志置位時(shí)（RXFFINT=1），則接收緩沖寄中buffer[3]=0，發(fā)送頻率；buffer[3]=4，發(fā)送周期；buffer[3]=8，發(fā)送占空比；?Y?YNYNY5-7序中適時(shí)加入喂狗程序，在其計(jì)數(shù)器達(dá)到最大值之前清零計(jì)數(shù)器，進(jìn)而保證程序的正常執(zhí)難點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)使用2812產(chǎn)生與實(shí)際時(shí)間同步的 測(cè)量原理在2812上的實(shí)現(xiàn)。利用了281x系列事件管理器較240x·硬件設(shè)計(jì)中使用了定時(shí)器1T1CTRIP)。在測(cè)量即將結(jié)束時(shí)，該引腳被置為低電平，從而產(chǎn)生所需的波跳變(上升沿)，配合軟件，完成測(cè)量。在一定的時(shí)間段(0.6s)內(nèi)記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)，然后，對(duì)這些測(cè)量值求均值。采取這種方法采用MODBUS上位機(jī)的串行通訊采用MODBUS協(xié)議，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與DSP一對(duì)指標(biāo)測(cè) 用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)： 0.6s--50s的 用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)：TektronixAFG3010；精度：0.00010.05Hz—300kHz7.1標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率本儀器測(cè)量值%正弦波正弦 7.2值μs%量值μs%157.3標(biāo)準(zhǔn)輸入占空比1%誤差%誤差5%誤差%誤差50%誤差50%誤差%誤差5K%誤差%誤差%誤差%誤差%誤差正弦波的頻率(周期)測(cè)量誤差小于等于0.015%(要求是0.1%)；(信號(hào))脈寬的測(cè)量誤0.0074（0.0022（的測(cè)量誤差小于等于1.78%。：void{EvaRegs.GPTCONA.all=EvbRegs.GPTCONB.all=0;EvaRegs.GPTCONA.bit.T1PIN=EvaRegs.T1CON.all=0x101a;EvaRegs.T2CON.all=0x1288;EvaRegs.T2PR=0xffff;EvbRegs.T3PR=EvbRegs.T4CON.all=0x1000/T4使用內(nèi)部時(shí)鐘EvaRegs.CAPCONA.all=0x04E4;CAP3T1CAP1T2}{EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;//使能T1、T2EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=0;//T1、T2 GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIOA011GPIOA0EvbRegs.T4CON.bit.TENABLE=1;//使能T4位EvbRegs