工業(yè)2簡易數(shù)字頻率計

：計數(shù)單元，比較單元，脈寬調(diào)制電路，實現(xiàn)高精度的頻率測量，并且實現(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，它既具有一般期測量原理，充分利用DSP上豐富的外設(shè)資源，并設(shè)計信號調(diào)理電路及串行通訊電路，從DSP的高速信號處理的能力完成頻率（周期）、脈寬、占空比的高精度測量，以及測量結(jié)果的PC顯示。~~1～22-1及DSP豐富的片內(nèi)外設(shè)，我們設(shè)計了一種測量精度和被測頻率無關(guān)的軟硬件相結(jié)合的3-1TTTT圖3- 定時器1（T1），圖中的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為150MHz時鐘頻率的8分頻。測量階段需硬——D 1，當(dāng)其接收到一個整周期的被測信號時即可產(chǎn)生比較輸（T1，低電平有效），如圖3-1所示。同時產(chǎn)生比較中斷，在中斷服務(wù)子程序中，進行如下操作：捕獲1的棧值（t2_1）,清定時器1、2上溢次數(shù)，使能捕獲3，使能定時器3；實際測量階段，當(dāng)定時器3定時（預(yù)置時間）結(jié)束，借助于D觸發(fā)器在被測信號升沿）。捕獲1的棧值（t2_2）和捕獲3的棧值(t1_2)。圖3- 為150MHz時鐘頻率的2分頻。中進行如下操作：此時捕獲4的棧值，復(fù)位定時器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，其棧值和定時器4的上溢次數(shù)。這種狀況，設(shè)計了等效時間采樣算法，即通過對重復(fù)信號的多次采樣把在信號的不同周期中采樣得到的數(shù)據(jù)進行重組,從而能夠重建原始的信號波形。與實時采樣不同,等效采樣只能用于重復(fù)信號,但信號頻率可以很高。設(shè)測得頻率為Fx，被測頻率真實值為Fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，在一次測量中，預(yù)置閘門時間為T'，被測信號計數(shù)值為Nx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號計數(shù)值為Ns。Fx計數(shù)的起停時間由該信號的上升沿觸發(fā)的，在T'時間內(nèi)對Fx的計數(shù)Nx無誤差；在此時間內(nèi)Fs的計數(shù)Ns假設(shè)相差n個脈沖，即et Fx/NxFs/Fxe/NxFs/(Ns

Fx(Fs/Ns)*

FxeFxeFxe

Fxe Qet

n

NsTpr* 若預(yù)置時間Tpr=0.0128s，Ns0.0128*150'000'000/8 n*4.16*T113預(yù)置時間來加以克服，同時考慮到DSP內(nèi)部高速的時鐘頻率，這并不會明顯的增加測已將DSP內(nèi)部的高速時鐘頻率進行了適當(dāng)?shù)姆诸l，所以相對于量化誤差，校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻設(shè)被測信號脈寬為Twx，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號頻率為Fs，則脈寬的測量精度TwxNx/Twx/Twx(1*Fs)/(Nx*Fs)1/NxTwx*FsFs一定時，脈寬越小，誤差越大。當(dāng)Twx100sFs150275MHz時，Nx7500，則有Twx/Twx1/75001.33*1040.0133后能夠達到的穩(wěn)定程度，擬定將DSP內(nèi)部的高速時鐘頻率進行兩分頻。同頻率測量一樣，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的放大增益限制(DSP的輸入電壓過3.3V)。在進行設(shè)計的時入信號被統(tǒng)一調(diào)理為幅值為0.28伏左右的交流信號。信號將是幅值為1.1V左右的交流信號。觸發(fā)器的選擇，選擇將信號利用加法電路進行0.9V偏置。模塊，所以被測信號經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理之后，就可以由DSP進行采樣，從而得出信號的幅值。MAX3221完成。源。另外，該模塊還保證了F2812FLASH的有效復(fù)位。PAPAAP9OAP6O圖4- 制，該運放采用5V電源供電，因此，該輸出信號的幅值被限制在5V4-12.5mA。此時，輸出信號的幅值被限制在0.22V~0.28V我們設(shè)計采用高速運放OPA2960實現(xiàn)將該部分的輸入信號放大四倍，實現(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）進行0.9V偏置。這樣，得到的信號幅值變化范圍為：（0.22*4.020.9 0.22*4.020.91.78V）（0.28*4.020.90.22V 0.28*4.020.92.02V），實際的輸出介于這兩個范圍之間，而它們對于觸發(fā)器SN74都是是合適的。該部分的具體實現(xiàn)方法為：偏置電路的輸出端信號幅值為VO，而放大電路之后、偏置電路之前的信號幅值為Vmid。由運放的性質(zhì)，我們可以得到Vmid4.02VI（POWER20.45V），VO0.9Vmid，這樣也就實現(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，它的下限為0.84V，上限為1.5V。通過這一模塊，被測信號就被調(diào)理為DSP的輸入信號，（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，實際的輸出介于這兩個范圍之間，而它們對于觸發(fā)器SN74都是合適的。PPAAP9O圖4- ADC0.5V~3V之間的交流信號，經(jīng)過此模塊以后，調(diào)理為0.25V~1.5V之間的交流信號。圖4-2中，R11=R12=10K。1.5V，POWER1.5V4-2C1=47F，R7=R9=10K，R8=5.1K保護電路：通過使用特基二極管進行鉗位而得以實現(xiàn)，如圖4-2所示，此時選取鉗位電壓為3.3V。本設(shè)計中采用的DSP型號為TMS320F2812，它是到目前為止C2000系列中性能最EVAEVAD4-3GPIOADC。在測量的過程中，由于設(shè)計的要求，需要在預(yù)置時間到來后的被測信號的第一個上升沿，使得T1產(chǎn)生跳變信號。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)如果將T1 對應(yīng)的獨立切斷引腳(T1CTRIP)置位為0，其輸出將為高電平。所以，本設(shè)計方案中添加了一硬件——D觸發(fā)器，預(yù)置時間結(jié)束時置位的現(xiàn)如圖4-4所示：

DDT1CTRIQ圖4- D觸發(fā)器的使Q令執(zhí)行時間為6.67ns。這從而為高速和處理信號提供了保障。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的第二個輸出通過電阻將其配置為輸出1.9V左右。信號調(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)計時，提供了如上所示的偏置電壓供給。框圖如圖5-1所示。5-1系統(tǒng)功能框圖 為減小測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差，所測結(jié)果均取平均值。利用CPU_Timer0后，重新初始化定時器和捕獲單元，進入下一輪測量。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簡單，并且所有程序都是按照一定的順序執(zhí)行，將要測量頻率時，定時器1、2T3CINTPDPINTA位的過程中，定時器1、2皆有可能發(fā)生上溢。高頻時定時器1最多溢出3次（此時被測信16MHz），22861（0.1Hz）。為便于程序設(shè)計，使能定時器1、2的上溢中斷來記錄上溢次數(shù)；測量過程中，捕獲單元捕獲的是定時器1的比較輸出信號，對捕獲棧值的實時性要求不高，因而定時器1、2上溢中值的實時性要求高，因此，在等待CAP5INT置位的過程中，程序是通過查詢定時器4的上溢測量幅值時，復(fù)用定時器3，利用其周期中斷來啟動AD轉(zhuǎn)換。AD每次轉(zhuǎn)換一個數(shù)，即12，其用來記錄標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù)。等待T1CINT置位。2、T1CINT置位后，捕獲1的棧值（即定時器2的初值t2_1）；清零定時器1、3、T3CINT置位后，程序?qū)?到GPIOA0口。硬件的電路設(shè)計中，已將GPIOA0口連接至邊沿觸發(fā)器的D輸入端，而將被測信號連接至邊沿觸發(fā)器的CLK輸入端。于是，在被測信號的下一個上升沿到來時，邊沿觸發(fā)器輸出與D輸入端相同的電平信號（低電平），此信號由硬件連接至T1CTRIP1的比較輸出，同時，PDPINTA1（2t2_2）31t1_2)。由所得數(shù)據(jù)計算頻率（周期），定時器1、2和捕獲1、3。頻率計算公式為： 定時器3使用150MHz內(nèi)部時鐘，64分頻，其比較值設(shè)置為30000，故預(yù)置時間0.0128s。當(dāng)被測信號頻率小于5.12MHz時，定時器1將不會發(fā)生上溢，所以實際測量的時間即是定時器1比較輸出的有效電平時間。當(dāng)被測信號頻率大于5.12MHz時，定時器1發(fā)生上溢，因而會發(fā)生多次比較匹配。但程序設(shè)計時，僅對第一次比較匹配進行相應(yīng)操作；發(fā)生多次比較匹配后，捕獲1和3也將會多次捕獲到定時器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），啟動定時器4和捕獲4（CAP4），等待CAP4INT置位5CAP5FIFO1CAP5INT1、完成一次頻率測量以后，程序?qū)PIOA0口置位為1，邊沿觸發(fā)器則會在被測信號的 NYYNYNNY41T4CAP4SCI與其它異步外設(shè)之間使用標(biāo)準(zhǔn)非歸零碼（NRZ）進行數(shù)字通信。SCI的和發(fā)送器各自具有一個16級深度的FIFO，以減少CPU開銷，而且它們還有各自獨立的使能位和中斷位。6500據(jù)接收和發(fā)送的字符為：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1個停止位。TMS320F2812與PCMODBUS協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、.節(jié)節(jié)奇偶校驗位(可不使用)、1bit停止位(有校驗時)或2停止位(無校驗時)。位機響應(yīng)上位機的數(shù)據(jù)請求信號，回送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給上位機顯示。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：從機地址03首地址寄存器個數(shù)CRC校驗從機地址03首地址寄存器個數(shù)CRCRS23220kps，傳15米。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒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)計中采用VisualC++6.0編制上位機通信程序。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等直接對串口進行操作；三是使用 m控件；本設(shè)計中采用第四種方法。CSerialPort類是由MuMegaTechnologies公司提供的一個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下位機程序中，當(dāng)檢測到接收FIFO中斷標(biāo)志置位時（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序中適時加入喂狗程序，在其計數(shù)器達到最大值之前清零計數(shù)器，進而保證程序的正常執(zhí)難點，系統(tǒng)設(shè)計中通過使用2812產(chǎn)生與實際時間同步的 測量原理在2812上的實現(xiàn)。利用了281x系列事件管理器較240x·硬件設(shè)計中使用了定時器1T1CTRIP)。在測量即將結(jié)束時，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，完成測量。在一定的時間段(0.6s)內(nèi)記錄測量的數(shù)據(jù)，然后，對這些測量值求均值。采取這種方法采用MODBUS上位機的串行通訊采用MODBUS協(xié)議，這樣不僅可以實現(xiàn)上位機與DSP一對指標(biāo)測 用函數(shù)信號發(fā)生器(型號：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函數(shù)信號發(fā)生器(型號：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函數(shù)信號發(fā)生器(型號： 0.6s--50s的 用函數(shù)信號發(fā)生器(型號：TektronixAFG3010；精度：0.00010.05Hz—300kHz7.1標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率本儀器測量值%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)測量誤差小于等于0.015%(要求是0.1%)；(信號)脈寬的測量誤0.0074（0.0022（的測量誤差小于等于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