2008年F題 簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器31

PAGEPAGE1F乙簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器泰山學(xué)院 馬運(yùn)龍，房大偉，張燕專家點(diǎn)評(píng):該作品采用功耗低、運(yùn)算速度快，并具有EEPROM功能的AVR系列Atmega64單片機(jī)為主控CPU。選擇AlteraCPLDMAXIIEPM570實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的頻率/周期測(cè)量，以保證頻率/周期測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。采用AD8611對(duì)輸入信號(hào)整形，將結(jié)果送入Atmega64中進(jìn)行結(jié)果的顯示以及功能的切換和語(yǔ)音播放。該方案設(shè)計(jì)報(bào)告完整，元件選擇比較合理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，該作品的性能指標(biāo)全部達(dá)到了題目的基本要求，同時(shí)較好的完成了存儲(chǔ)、語(yǔ)音、測(cè)溫等多項(xiàng)創(chuàng)新功能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）麻志濱高級(jí)工程師2008/9/24摘要：該簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器以Atmega64和ALTERAMAXIICPLD技術(shù)為核心，由信號(hào)整形模塊、CPLD微處理模塊、語(yǔ)音模塊、液晶顯示模塊、信號(hào)測(cè)量模塊、以及功能切換模塊組成。采用AD8611對(duì)輸入信號(hào)的整形，CPLD進(jìn)行測(cè)頻以及結(jié)果的運(yùn)算，采用AD采樣原理對(duì)信號(hào)峰值的測(cè)量，最終將結(jié)果送入Atmega64中進(jìn)行結(jié)果的顯示以及功能的切換和語(yǔ)音播放等?？傊?，用CPLD處理信號(hào)，Atmega64實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和人機(jī)交互，通過(guò)數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：多功能計(jì)數(shù)器；CPLD；語(yǔ)音播放；Atmega64一、方案論證與選擇1.1設(shè)計(jì)方案1.1.1各種方案的比較方案一：采用S51+邏輯門電路方案。由于S51工作頻率低，利用其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器不能直接測(cè)量高頻信號(hào)，所以必須外擴(kuò)大量的邏輯門電路。電路制作麻煩，不便保證測(cè)量精度。方案二：直接采用AVR+AlteraCPLD方案。AVR單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，工作速度快，開發(fā)簡(jiǎn)便，同時(shí)用CPLD代替普通的邏輯門電路，省去了復(fù)雜的連線，工作速度快，能保證測(cè)量精度。1.1.2根據(jù)題目的要求，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析，充分考慮各種因素，最終確定選方案二作為本設(shè)計(jì)的整體方案：以AVR單片機(jī)Atmega64和AlteraCPLDMAXIIEPM570為中心，進(jìn)行該設(shè)計(jì)題目：其中單片機(jī)ATMEGA64用于按鍵控制、溫度測(cè)量、時(shí)鐘提取、顯示控制、語(yǔ)音播放。EPM570用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的頻率/周期測(cè)量。利用CPLD的強(qiáng)大的邏輯處理能力，保證了頻率/周期測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。信號(hào)調(diào)理電路采用高速比較器AD8611對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行整形，然后送CPLD進(jìn)行頻率/周期測(cè)量，確保了測(cè)量精度。語(yǔ)音播放模塊可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)。數(shù)字顯示模塊采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。EPM570通過(guò)I/O口與Atmega64通信后將數(shù)據(jù)傳給Atmega64，通過(guò)選擇Atmega64再將其結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出顯示以及語(yǔ)音播放。另外通過(guò)外圍電路（如鍵盤電路）可以對(duì)其功能進(jìn)行選擇以及時(shí)間、溫度等的顯示。系統(tǒng)框圖參見圖1：圖1簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器系統(tǒng)框圖二、頻率/周期測(cè)量原理分析測(cè)量原理如圖2所示…………………………時(shí)間間隔TxNT1T2待測(cè)脈沖量化時(shí)鐘M圖2頻率/周期測(cè)量量化時(shí)鐘頻率為，對(duì)應(yīng)的周期，在待測(cè)脈沖上升沿計(jì)數(shù)器輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，，為待測(cè)脈沖上升沿與下一個(gè)量化時(shí)鐘脈沖上升沿之間的時(shí)間間隔，則待測(cè)脈沖時(shí)間間隔為：三、具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1.1原理圖如圖3所示：圖3電源原理框圖220伏50HZ的市電經(jīng)過(guò)變壓器之后產(chǎn)生12伏左右的交流電，又經(jīng)過(guò)整流橋之后輸出直流電，電容C1和C2濾除了其中的交流成分，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管之后，輸出幅度比較穩(wěn)定15伏左右的直流電。L7805,L7812,以及L7912是三態(tài)穩(wěn)壓器，只要給他們大于一定電壓的電壓值（小于最大輸入電壓）他們就可以分別輸出+5伏，+12伏和-12伏的電壓。3.1.2原理圖如圖4所示：圖4方波整形原理圖使用方波整形是為了產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)，是為后續(xù)的VHDL計(jì)數(shù)、測(cè)頻工作做準(zhǔn)備的。AD8611是高速比較器，100MHz信號(hào)輸入，單/雙路4nS傳輸延遲，具有鎖存和互補(bǔ)輸出功能。AD8611對(duì)很寬的頻率范圍的輸入波形都有良好的整形效果。AD8611能夠在低頻和高頻都能產(chǎn)生波形比較正確的方波，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，因此，在此系統(tǒng)中采用了AD8611作為電壓比較器的核心。3.1.3信號(hào)頻率/周期測(cè)量采用ALTERA的CPLDEPM570對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。CPLD的基本特點(diǎn)主要有：核心電壓3.3V、144引腳(其中116個(gè)GPIO)的EPM570T144C5作為實(shí)現(xiàn)控制電路的CPLD。EPM570T144C5內(nèi)部有570個(gè)邏輯單元(LogicElement)，相當(dāng)于440個(gè)宏單元(Macrocell)。EPM570T144C5內(nèi)部分為兩個(gè)I/Obank,共116個(gè)通用I/O,引腳延時(shí)為8.8ns,滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。具體測(cè)量方法如圖5所示：輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)AD8611整形后，送到CPLD進(jìn)行測(cè)量。首先進(jìn)行判斷，頻率大于1KHZ測(cè)頻，方法是通過(guò)精確定時(shí)1秒鐘，進(jìn)行測(cè)頻，測(cè)量精度大于0.1%。低于1000Hz采用周期測(cè)量法，因?yàn)椴捎?5MHz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，測(cè)周的精度大于0.1%。滿足了題目要求。圖5測(cè)量方法及硬件連接圖3.1.4ATmega64是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。具有2K字節(jié)EEPROM，對(duì)本設(shè)計(jì)的記憶功能有很大的幫助。本設(shè)計(jì)中用CPLD來(lái)測(cè)量頻率/周期，然后將結(jié)果送到ATMEGA64進(jìn)行顯示，保存。M64作為控制中心，對(duì)鍵盤、顯示、以及記憶的讀取、計(jì)數(shù)值得讀取等進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。3.1.5語(yǔ)音模塊采用BMP5008系列多段語(yǔ)音錄放板采用了上海奔流電子有限公司全新設(shè)計(jì)的專用錄音控制MCU外加SPI接口FLASH的全新設(shè)計(jì)思路，通過(guò)外掛不同容量的FLASH，可以獲得從30秒—32分鐘的錄音容量。有8KHZ和12KHZ兩種采樣頻率用戶可選；錄音信息掉電不會(huì)丟失。板上自帶MIC/LINEIN線路輸入口，可外接多種音源錄音。板上自帶穩(wěn)壓電路，支持5V—6V電壓直接輸入；主芯片自帶0.5w功放；用戶可自由定義6個(gè)I/O口的觸發(fā)功能為單端發(fā)放音還是63段（8421并行編碼）地址選段放音。如圖6所示。圖6單片機(jī)和語(yǔ)音模塊的接口3.1.6溫度圖7溫度和時(shí)鐘模塊溫度測(cè)量：采用單總線溫度傳感器DS18B20，連線簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。時(shí)鐘測(cè)量：采用時(shí)鐘芯片DS1302進(jìn)行時(shí)間測(cè)量和顯示。3.1.7鍵盤：采用6個(gè)獨(dú)立按鍵，分別控制如圖所示6種功能：溫度/時(shí)間切換、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回顯、頻率/周期切換和語(yǔ)音播放。顯示模塊：包括12個(gè)數(shù)碼管和4個(gè)LED小燈。12個(gè)數(shù)碼管分成8個(gè)和4個(gè)兩組。8個(gè)數(shù)碼管用于顯示頻率/周期測(cè)量值，4個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)間和溫度。4個(gè)LED發(fā)光管用于指示測(cè)量單位。具體連線如圖8所示圖8鍵盤及顯示模塊四、系統(tǒng)的流程圖4.1主程序的流程圖如圖9圖9主程序流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析5.1、調(diào)試與測(cè)試所用儀器

(1)數(shù)字萬(wàn)用表

(2)

數(shù)字示波器

(3)信號(hào)發(fā)生器Agilent33120A5.2、測(cè)試數(shù)據(jù)表1周期頻率數(shù)據(jù)測(cè)量標(biāo)稱頻率HZ頻率測(cè)量HZ周期測(cè)量us平均頻率平均周期誤差第一次第二次第一次第二次HZus0.10.1010.1029900900.9909803921.5680.1029852216.7480.02109.5719.86210448.25310139.2719.71510293.2620.0251K1000999100.000100.001999.5100.0010.0001500K4999304999252.00012.00014999272.0010.00011M9999849999851.00011.00019999841.0000.00015M499992149999202.00002.OOOO49999212.0000.000110M999984199999721.00001.0000999990610.0000.00015.3、結(jié)果分析經(jīng)過(guò)分析，在高頻端數(shù)據(jù)的精度完全符合要求，甚至高于所求的精度，但在低頻段剛剛滿足設(shè)計(jì)的要求。該多功能計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了頻率/周期測(cè)量，測(cè)量結(jié)果達(dá)到了題目要求。發(fā)揮部分完全實(shí)現(xiàn)。能語(yǔ)音報(bào)數(shù)、能測(cè)量溫度、采集時(shí)間，能保存數(shù)據(jù)，能顯示歷史數(shù)據(jù)。六、結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)完成了題目基本部分和發(fā)揮部分的全部?jī)?nèi)容，在完成的項(xiàng)目中大部分指標(biāo)都優(yōu)于題目的要求，個(gè)別指標(biāo)由于時(shí)間有限做得不是非常完善。本系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。CPLD實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)越性，集中體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)功能齊全，外圍電路簡(jiǎn)單，時(shí)間計(jì)算精確，以及可維護(hù)性強(qiáng)。在這次比賽中，我們經(jīng)過(guò)四天三夜的拼搏，通過(guò)完成這件作品，大大提高了我們的創(chuàng)新精神，動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。期間我們也遇到很多困難，使我們認(rèn)識(shí)到處理問(wèn)題可以用多方法多角度地處理，而且懂了聯(lián)系實(shí)際的重要性，這對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作是不無(wú)裨益的。當(dāng)然我們受到時(shí)間地域和價(jià)格的限制，還有可以改進(jìn)的地方，希望老師給予指正。此外，在比賽期間輔導(dǎo)老師給我們極大的幫助和支持，從下來(lái)元器件開始就積極的為我們準(zhǔn)備一個(gè)寬松的比賽環(huán)境，可以說(shuō)沒有老師的幫助我們呢就不可能在這么短時(shí)間內(nèi)出色的完成作品。在這里我們小組向輔導(dǎo)老師致以深深的感謝之情！最后感謝山東電子大賽的組委會(huì)老師們！參考文獻(xiàn)：[1]童詩(shī)白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2000.[2]楊興瑤.張益清，楊震緒.新編電子實(shí)用電路[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.[3]求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2004.[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版[M].北京：高等教育出版社，2006.[5]黃任.AVR單片機(jī)與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.附件：主要程序清單/*****************控制處理主程序************************///ICC-AVRapplicationbuilder:2008-9-1311:20:46//Target:M64//Crystal:1.0000Mhz#include<iom64v.h>#include<macros.h>#include"init_devices.h"#include"display.h"#include"usart.h"externunsignedchardata0[13];externunsignedcharuartCNT;//unsignedchardata1[10];/*//externdata1[12];voidwtab1(unsignedchari,unsignedchar*num){unsignedcharj;for(j=1;j<17;j++){tab1[i*16+j]=num[j];}}voidwtab2(unsignedchari,unsignedchar*num){unsignedcharj;for(j=1;j<17;j++){tab2[i*16+j]=num[j];}}voidwtab3(unsignedchari,unsignedchar*num){unsignedcharj;for(j=1;j<17;j++){tab3[i*16+j]=num[j];}}*//*voidchange(void){unsignedchari;if((data0[0]!=0)&(data0[11]!=0)){for(i=0;i<10;i++){data1[i]=data0[i+1];}}}*/voidsongxian(unsignedchar*tab1){unsignedchari;//tab1[2]=data0[0];//tab1[3]=data0[12];//for(i=0;i<10;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];if((data0[0]=='S')&&(data0[12]=='E')){ if(data0[1]=='0') {for(i=0;i<10;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];} elseif(data0[1]=='1') {for(i=0;i<9;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];tab1[27]='.';tab1[28]=data0[11];} elseif(data0[1]=='2') {for(i=0;i<8;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];tab1[26]='.'; tab1[27]=data0[10];tab1[28]=data0[11];} elseif(data0[1]=='3') {for(i=0;i<7;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];tab1[25]='.'; tab1[26]=data0[9];tab1[27]=data0[10];tab1[28]=data0[11];} elseif(data0[1]=='4') {for(i=0;i<6;i++)tab1[18+i]=data0[2+i];tab1[24]='.';tab1[25]=data0[8]; tab1[26]=data0[9];tab1[27]=data0[10];tab1[28]=data0[11];} data0[0]=0; data0[12]=0; }}/*****************鍵盤控制************************/unsignedcharscankey(void){unsignedcharKey;if((PINA&0x01)==0x00){Key=1;delay1(5);}elseif((PINA&0x02)==0X00){Key=2;delay1(5);}elseif((PINA&0X04)==0X00){Key=3;delay1(5);}elseif((PINA&0x08)==0x00){Key=4;delay1(5);}elseif((PINA&0x10)==0x00){Key=5;delay1(5);}elseif((PINA&0x20)==0x00){Key=6;delay1(5);}return(Key);}voidKeycontrol(void){unsignedcharKeynum=0;//unsignedcharunsignedchari;unsignedcharflag1,flag2,flag3;Keynum=scankey();if(Keynum==1){flag1=1;while(flag1){delay1(2);uartCNT=0;USART_TX(0xAA);delay1(250);songxian(tab1);chn_disp(tab1);delay1(250);Keynum=scankey();if(Keynum!=1)flag1=0;}}el