【正文】 .................................... 32 時鐘發(fā)生器 .................................................................................................... 33 單片機主控電路 ............................................................................................ 33 第五章 軟件設計 .................................................................................................................... 35 單片機主程序 ........................................................................................................... 35 復位自檢程序 ........................................................................................................... 36 鍵盤程序 ................................................................................................................... 37 測頻子程序 ............................................................................................................... 38 測周期子程序 ........................................................................................................... 39 測脈寬子程序 ........................................................................................................... 39 占空比子程序 ........................................................................................................... 39 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） V 顯示子程序 ............................................................................................................... 40 第六章 系統(tǒng)性能分析 ............................................................................................................ 41 占空比子程序 ........................................................................................................... 41 低端頻率 ........................................................................................................ 41 高端頻率 ........................................................................................................ 41 頻率測量精度分析 ................................................................................................... 42 結(jié)論 .......................................................................................................................................... 45 參考文獻 .................................................................................................................................. 46 附錄 A 系統(tǒng)原理圖 ................................................................................................................. 47 附錄 B AT89C51 單片機內(nèi)部框圖 ......................................................................................... 48 附錄 C 硬件電路的 VHDL 描述 ............................................................................................ 49 附錄 D 單片機 C 語言程序清單 ............................................................................................ 56 致謝 .......................................................................................................................................... 69 1 第一章 引言 研究背景 與意義 隨著科學技術與計算機應用的不斷發(fā)展，以單片機作為核心的測量控 制系統(tǒng)層出不窮。在被測信號中，較多的是模擬和數(shù)字開關信號，此外還經(jīng)常遇到以頻率為參數(shù)的測量信號，例如流量、轉(zhuǎn)速、晶壓力傳感器以及經(jīng)過參變量―頻率轉(zhuǎn)換后的信號等等。頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，可以獲得較高的測量精度，所以研究測頻方法是電子測量領域的重要內(nèi)容。 傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計一般由分離元件搭接而成，其測量范圍、測量精度和測量速度都受到很大的限制。雖然單片機的發(fā)展與應用改善了這一缺陷，但由于單片機本身也受到工作頻率及內(nèi)部計數(shù)器位數(shù)等因素的限制，所以無法在此領域取得突破性的進展。隨著新型可編程邏輯器件 FPGA 技 術的發(fā)展，能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗稍趩蝹€器件中，F(xiàn)PGA 根據(jù)不同的需要所提供的門數(shù)可以從幾百萬到上百萬門，從根本上解決了單片機的先天性不足。本課題所設計 的等精度數(shù)字頻率計不但集成度遠遠超過了以往的數(shù)字頻率計，而且在標 準頻率等外部條件的允許下，可以根據(jù)不同場合的精度要求，對硬件描述語言進行一定的改動，使系統(tǒng)在精度提高的同時，而不增加系統(tǒng)硬件，從而降低系統(tǒng)的整體造價。此外，系統(tǒng)芯片（ SCO）的發(fā)展也要求其包含頻率測量的功能，所以用 FPGA實現(xiàn)數(shù)字頻率計也是實現(xiàn)系統(tǒng)芯片的前提條件。該數(shù)字頻率計的設計及實現(xiàn)應用計數(shù) 器法，基于上述優(yōu)勢開發(fā)的頻率計具有良好的應用價值和推廣前景。 頻率計的發(fā)展概況 傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計可以通過普通的硬件電路組合來實現(xiàn)，一般由分離元件搭接而成，其開發(fā)過程、調(diào)試過程十分繁瑣，而且由于電子器件之間的互相干擾，影響頻率計 2 的精度，體積較大，已不適應電子設計的發(fā)展要求 [1] [2]。 MSC51 系列單片機具有體積小、功能強、性能價格比高等特點，廣泛應用于工業(yè)測量、控制和智能化儀器、儀表等領域 。 以 MSC51 系列單片機為核心的頻率計設計，較分離元件搭接而成的頻率計改善了性能、提高了可靠性，并可以采用軟件實 現(xiàn)各種頻率測量方法 [3]。但由于受到單片機本身特性的影響，其晶振最大只能為 24MHz，以單片機為核心的頻率計的測頻范圍及精度受到很大的制約。 隨著 EDA 技術的發(fā)展，現(xiàn)代頻率計的設計多采用基于 FPGA 芯片的方法來實現(xiàn)頻率計的設計，即通過 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件描述語言的設計，用 FPGA 來實現(xiàn)。 FPGA(Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程邏輯器件是由存放在 片內(nèi) RAM 中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，培植完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此 FPGA 能夠反復使用。FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只需使用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。當需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此， FPGA 的使用非 常靈活。同時 EDA 開發(fā)工具的通用性、設計語言（本設計為 VHDL）的標準化以及設計過程幾乎與所用器件的硬件結(jié)構(gòu)無關，所以設計成功的各類邏輯功能塊軟件有很好的兼容性和可移植性，可以在很短的時間內(nèi)完成十分復雜的系統(tǒng)設計。 論文 所做的工作與研究內(nèi)容 隨著 EDA（ Electronics Design Automation）技術的發(fā)展和可編程邏輯器件的廣泛應用，傳統(tǒng)的自下而上的數(shù)字 電路設計方法、工具、器件已遠遠落后于當今技術的發(fā)展。 3 基于 EDA 技術正在承擔起越來越多的數(shù)字系統(tǒng)設計任務。 本設計主要論述了利用 FPGA 進行測 頻計數(shù)，單片機實施控制，實現(xiàn)多功能頻率計的過程， 使得頻率計具有了測量精度高、功能豐富、控制靈活等特點。該頻率計依 照 等精度的測量原理，克服了傳統(tǒng)計數(shù)器測頻原理隨被測信號頻率下降而降低的缺點。等精度測量方法不但具有較高的精度，而且在整個頻率域保持恒定的測量精度。該頻率計利用 FPGA 來實現(xiàn)對頻率、周期、脈寬、占空比的測量計數(shù)，由單片機實現(xiàn)對系統(tǒng) 的控制、數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)運算及數(shù)制轉(zhuǎn)換等功能。 本設計的主要工作包括以下幾項內(nèi)容： ⑴ 簡述了當今頻率計的發(fā)展狀況，對幾種常用的測頻方法進行了介紹和對比。 ⑵ 詳細地論述了 等精度頻率計的測頻原理。在 FPGA 和單片機的基礎上采用等精度的測量方法，實現(xiàn)了高精度的頻率、周期、脈寬和占空比的測量。 ⑶ 采用 MSC51 單片機來實現(xiàn)對功能鍵的控制、數(shù)據(jù)運算、碼制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示等功能。 ⑷ 完成了頻率計的系統(tǒng)硬件電路的設計，同時完成了基于數(shù)字硬件電路設計平臺Max+plusⅡ的 FPGA 硬件電路設計， FPGA 模塊用來完成高速計數(shù)器的功能；單片機完成測試控制、數(shù)據(jù)處理等功能，并對整個系統(tǒng)進行總體控制。 ⑸ 對頻率計的系統(tǒng)性能進行分析，分別分析了低端頻率和高端頻率得出本設計的測頻范圍是 ~40MHz，同時分析了測量精度。 本文分 6 章介紹了基于 FPGA 和單片機的等精度數(shù)字頻率計的設計原理、設計方法、開發(fā)步驟，并且對頻率計的測量結(jié)果和實際輸入頻率進行比較，分析了本設計影響測量精度的主要因素。 4 第二章 等精度數(shù)字頻率計測頻原理與設計方法 等精度數(shù)字頻率計測頻原理 數(shù)字頻率計的測頻方法簡介 目前數(shù)字頻率計的測頻方法可以有以下幾種實現(xiàn)方法： ⑴ 直接測量法 直接測量法是把頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間 T（以秒計）內(nèi)，計數(shù)脈沖被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為 N， 由頻率定義可以計算得到被測信號頻率為： /F NT? （ 21） 經(jīng)分析，此種測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大 T 可以提高測量精度，但在低頻段仍不能滿足任務要求。 ⑵ 組合法 直接測量周期法在低頻段精度高。組合法是指在低頻時采用直接測量周期法測量信號的周期，然后換算成頻率。這種方法在一定程度上可以彌補方法⑴的不足，電路實現(xiàn)較為復雜。 ⑶ 倍頻法 直 接測量法在高頻段有著很高的精度?？梢园杨l率測量范圍分為多個頻段，使用倍頻技術，根據(jù)頻段設置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號進行倍頻后進行測量，高頻段則進行直接測量。 ⑷ 直接測量周期法 用被測信號經(jīng)放大整形后形成的方波信號直接控制計門控電路，使主門開放時間等于信號周期，時標為