【正文】 USB 電源口、 JTAG 下載口以及字符型液晶驅(qū)動口，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 硬件系統(tǒng)結(jié)框圖構(gòu)圖 主要應(yīng)用 可配置于 KX2C5F+系統(tǒng) FPGA的單片機 CPU核與傳統(tǒng) MCS51 單片機高度兼容（極大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 個別指令不兼容），但速度約為傳統(tǒng)單片機的 20 倍，在 FPGA 芯片優(yōu)化良好的條件下，主頻最高可達 250MHz；同樣用 C 或匯編語言完成軟件設(shè)計。 含全兼容工業(yè)級 8051 核、其主頻最高可達 250MHz，是普通單片機速度的 20倍。用 VHDL 編寫測頻模塊，對 FPGA 中的單片機核編寫輸入、顯示等程序，完成等精度頻率計的設(shè)計。將單片機做在 FPGA 中，不但減少了電路 中間連線，而且整個系統(tǒng)的可靠性得到加強，同時由于 FPGA 的速度快， FPGA 中的單片機的速度可達 100MHZ 以上，整個系統(tǒng)的性能也能得到充分地改善。 現(xiàn)在很多電子系統(tǒng)都是由單片機 +FPGA 實現(xiàn)的。 FPGA（ Fild Programmable Gate Array)就是目前最受歡迎的可編程邏輯器件之一。傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而下降，在使用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 基于單片機 IP 核的等精度頻率計設(shè)計 摘要 FPGA 就是目前最受歡迎的可編程邏輯器件之一。本文結(jié)合 FPGA 與 8051單片機的優(yōu)點實現(xiàn)了基于 FPGA 的 8051 IP 核應(yīng)用，設(shè)計一個等精度頻率計。 IP就是知識產(chǎn)權(quán)核或知識產(chǎn)權(quán)模塊的意思，在 EDA技術(shù)開發(fā) 中具有十分重要的地位。長期以來，單片機以其性價比高、體積小、功能靈活等方面的獨特優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。 基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而下降，即測量精度隨被測信號的頻率的變化而變化，在使用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。系統(tǒng)總框架圖如圖 11 所示 。 EPM3032CPLD、 1M EPCS1 Flash、蜂鳴器、 20MHz 晶振、 8 鍵、 1 數(shù)碼管，HS1624LCD 液晶顯示器。目前許多實用 SOC 應(yīng)用系統(tǒng)都使用此類通用 CPU 實現(xiàn)設(shè)計。 這里，根據(jù)論文的目的，在完成設(shè)計任務(wù)時，用 8051 IP 核加上鎖相環(huán)、 RAM 以及 ROM構(gòu)成一個單片機。 MSC51 系列單片機芯片有 40 個引腳，是采用 HMOS 工藝制造，雙列直插 (DIP)方式封裝的芯片，其引腳如圖 31 所示。不同之處主要有： 8051V1 是以網(wǎng)表文件的方式存在 的，只有通過編譯綜合，并載入 FPGA 中才以硬件的方式工作，而普通 8051 總是以硬件方式存在的； 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 8051V1 無內(nèi)部 ROM 和 RAM，所有程序 ROM 和內(nèi)部 RAM 都必須外接。 與普通 8051 不同， 8051 單片機核的 4 個 I/O 口是分開的。該元件可以與其他不同語言表述的元件一同綜合與編譯。采用 ROM 容量的大小也取決于 FPGA 所含的嵌入 RAM的大 小。 數(shù)據(jù) RAM， LPM_RAM。 圖 33 中， P0I[7..0]、 P1I[7..0]、 P2I[7..0]、 P3I[7..0]分別為 P0、 P P P3 口的輸入口； P0O[7..0]、 P1O[7..0]、 P2O[7..0]、 P3O[7..0]分別為 P0、 P P P3 口的輸出口。 CNT CNT2 同時對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和經(jīng)整形后的被測信號進行計數(shù)，分別為 Ns 與 Nx。因此除了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生的 1 個周期誤差，并且達到了在整個測試頻率階段的等精度測量。 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 35 等精度測頻原理 設(shè)在一次實際閘門時間 t 中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為 Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為 Ns。 等精度測頻實現(xiàn) 等精度頻率計的實現(xiàn)可以簡單地用圖 36 和波形圖 37 來說明設(shè)。等精度頻率計原理如下圖 36 所示： 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 36 等精度頻率計設(shè)計原理圖 bclk 為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號設(shè)定為 40MHz， tclk 為被測信號，被測信號的范圍為 1Hz 到40MHz。然后由單片機發(fā)出允許測頻命令，即令預(yù)置門控信號 CL為高電平這時 D 觸發(fā)器要一直等到被測信號的上升沿通過 Q 端時才把 start 置 1，與此同時，將同時開啟計數(shù)器 BHZ 和 TF，進行計數(shù)，當(dāng) Tpr 秒后，預(yù)置門信號 CL被單片機置為低電平，但此時兩個計數(shù)器并沒有停止計數(shù)，一直等到隨后而至的被測信號的上升沿到來時 start 為 0，才通過 D 觸發(fā)器將這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉 圖 37 等精度頻率計波形仿真 設(shè)在一次預(yù)置門時間中對被測信號的計數(shù)值為 Nx，對標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)值為 Ns，則下式成立： Fx/Nx=Fs/Ns 不難得到測得的頻率為： Fx=(Fs/Ns)*Nx 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 測量占空比的原理 設(shè)定中間信號 pl，分別取被測信號的一個正脈寬和一個負(fù)脈寬作為門控信號，對標(biāo)準(zhǔn)頻率進行計數(shù)，對正脈寬的計數(shù)值為 N1，對負(fù)脈寬的計數(shù)值為 N2，則周期計數(shù)值為N1+N2,于是占空比為： 占空比 =N1*100%)/(N1+N2) 圖 38 測量占空比的實現(xiàn) 對于占空比的測量，可以通過測量正反兩脈寬的計數(shù)值來獲得。單片機程序設(shè)計思想：設(shè)置 、 、 作為數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，設(shè)置從 000111 情況下依次將標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)器和被測頻率計數(shù)器的數(shù)據(jù)分別送到單片機。HS1624 液晶模塊是一種用 5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1行 16個字、 2 行 16個字等。 RW為讀寫信號線，高電平時 進行讀操作，低電平時進行寫操作。 D0~D7為 8位雙向數(shù)據(jù)線。 液晶的三個控制信號 RS、 RW、 E，分別接單片機的 、 、 ， 8 位數(shù)據(jù)線接 P1 口，在程序中設(shè)置三個按鍵切換不同的功能： K2（復(fù)位） ———— 顯示“ Qing Guang Ming ” “ Bi Ye She Ji ” K3（測頻率） 顯示“ FREQ： ” “測量所得的頻率 ” 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 K4（測占空比） 顯示“ DUTY： ” “所測得的占空比” 按鍵控制的液晶顯示流程圖如下圖 312 所示： 圖 312 按鍵控制液晶顯示流程圖 單片機與 FPGA 的組合應(yīng)用 把 FPGA 程序和單片機程序分別調(diào)試好后再組合起，鎖定引腳、編譯、下載進行聯(lián)合調(diào)試。 圖 411 圖 412 單片機程序 和 VHDL 程序編譯在一起下載到 FPGA 中 點擊 ROM，文件路徑該成如圖 421 所示點“ ./ASM”表示把單片機的 hex 文件存在當(dāng)前工程 ASM 中。此外，等精度頻率計設(shè)計、單片機 C 語言的編寫，也讓我受益很多。 use 。 clr:in std_logic。 eend:out std_logic。 architecture behav of etester is signal bzq:std_logic_vector(31 downto 0)。 signal q1,q2,q3,bena,pul:std_logic。 bzh:process(bclk,clr) begin if clr=39。)。 then if bena=39。 end if。 then tsq=(others=39。event and tclk=39。 then tsq=tsq+1。 process(tclk,clr) begin if clr=39。 elsif tclk39。 end if。 clk2=ma and q1。 dd1:process(clk1,clr) begin if clr=39。 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 elsif clk139。139。139。event and clk2=39。end if。 then q3=39。139。 end process。039。039。039。 sbit cl =P0^1。 sbit sel0=P0^4。 sbit k4=P3^4。 define d P2 //等精度頻率計的數(shù)據(jù)口 define Data P1 //液晶