【正文】 .................. 29 D 觸發(fā)器 ......................................................................................................... 29 32 位計數(shù)器 .................................................................................................... 31 MUX648 多路選擇器 .................................................................................... 32 MUX21 選擇器 .............................................................................................. 32 時鐘發(fā)生器 .................................................................................................... 33 單片機(jī)主控電路 ............................................................................................ 33 第五章 軟件設(shè)計 .................................................................................................................... 35 單片機(jī)主程序 ........................................................................................................... 35 復(fù)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(xiàn) .................................................................................................................................. 46 附錄 A 系統(tǒng)原理圖 ................................................................................................................. 47 附錄 B AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部框圖 ......................................................................................... 48 附錄 C 硬件電路的 VHDL 描述 ............................................................................................ 49 附錄 D 單片機(jī) 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(xué)技術(shù)與計算機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展，以單片機(jī)作為核心的測量控 制系統(tǒng)層出不窮。其中硬件電路包括鍵盤控 制模塊、顯示模塊和測量模塊，鍵盤模塊采用獨(dú)立式的鍵盤，實現(xiàn)了 測頻功能 ，還實現(xiàn)了 周期、脈寬、占空比測量等功能的選擇；顯示模塊采用靜態(tài)顯示方式，因此電路結(jié)構(gòu)簡單，顯示方便； AT89C51 單片機(jī)的軟件編程采用靈活易讀的 C 語言。本設(shè)計將 AT89C51 單片機(jī)的控制靈活性和 FPGA芯片的現(xiàn)場可編程性相結(jié)合，不但大大縮短了開發(fā)研制周期，而且使本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、測頻范圍寬、精度高等優(yōu)點 。在被測信號中，較多的是模擬和數(shù)字開關(guān)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(yīng)電子設(shè)計的發(fā)展要求 [1] [2]。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此 FPGA 能夠反復(fù)使用。 本設(shè)計主要論述了利用 FPGA 進(jìn)行測 頻計數(shù)，單片機(jī)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。 ⑷ 完成了頻率計的系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，同時完成了基于數(shù)字硬件電路設(shè)計平臺Max+plusⅡ的 FPGA 硬件電路設(shè)計， FPGA 模塊用來完成高速計數(shù)器的功能；單片機(jī)完成測試控制、數(shù)據(jù)處理等功能，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行總體控制。這種方法在一定程度上可以彌補(bǔ)方法⑴的不足，電路實現(xiàn)較為復(fù)雜。其原理圖如圖 所示。當(dāng) Tpr 秒后，預(yù)置門控信號 CL 被單片機(jī)置為低電平，但此時兩個計數(shù)器仍沒有停止計數(shù)，一直等到隨后而至的被測信號的上升沿到來時，才通過 D 觸發(fā)器將把這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。同時，基于芯片的設(shè)計可以減少芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗。當(dāng) P1 口的管腳輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)先把口置‘ 1’。 P1 口當(dāng)用作外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出 16 位地址的高八位。 ALE/PROG: 當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 XTAL2: 來自反向振蕩器的輸出。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。它是大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展與計算機(jī)輔 13 助設(shè)計、計算機(jī)輔助生產(chǎn)和計算機(jī)輔助測試相結(jié)合的一種產(chǎn)物，是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)向超高集成度、超低功耗、超小封裝和專用化方向發(fā)展的重要基礎(chǔ) ?；?SRAM 的 FPGA 器件在工作前需要從芯片外部加載配置數(shù)據(jù)。每個 FLEX10K 14 器件都包含一個嵌入式陣列，它為設(shè)計者提供了有效的嵌入式門陣列和靈活的可編程邏輯。 ⑹ 具有快速建立時間和時鐘到輸出的外部寄存器。 ⑴ 開放式的界面。 ⑸ 模塊化工具。 16 C語 言程序本身不依 賴 于機(jī)器硬件系 統(tǒng) ，基本上不作修改就可 將 程序 從 不同的 單 片機(jī)中移植 過來 。 17 VHDL 語言簡介 美國國防部在 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初提出了 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)計劃， VHSIC 計劃的目標(biāo)是為下一代集成電路的生產(chǎn)、實現(xiàn)階段性的工藝極限以及完成 10 萬門級以上的設(shè)計建立一項新的描述方法。 VHDL 語言的移植能力就是指同一個設(shè)計的 VHDL 語言描述可以從一個模擬工具移植到另一個模擬工具、從一個綜合工具移植到另一個綜合工具或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺。 18 ⑵ VHDL語言的描述會與實際硬件電路的工作方式不符。 鍵盤控制命令由鍵盤掃描譯碼電路讀入，當(dāng)有按鍵按下 時向單片機(jī)發(fā)出中斷請求讀取鍵值。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。 由于 74LS164 芯片輸出低電平時具有 8mA 的灌電流能力，在靜態(tài)顯示方式下足以保證顯示亮度。 CLR 為低電平時，計數(shù)器使能端 BENA 為低電平，測頻 /測周期電路不工作，系統(tǒng)清零。標(biāo)準(zhǔn)頻率取自 FPGA 的外部晶振。門控時間結(jié)束后，單片機(jī)將門控信號 CL 置為低電平，在被測信號的下一個脈沖的上升沿到來時，兩個計數(shù)器將同時停 止工作。 CL 為單片機(jī)發(fā)出的預(yù)置門控信號， CLR 為單片機(jī)發(fā)出的復(fù)位信號， TCLK 為被測信號的輸入， 1 引腳始終接高電平。本設(shè)計中的 D 觸發(fā)器為帶有異步 30 清零功能的 D 觸發(fā)器。 CLR 信號為低電平時，計數(shù)器的值清零。 MUX21 選擇器硬件描述語言 VHDL描述語言見附錄 C(4)。當(dāng) sel 分別為“ 000”、“ 001”、“ 010”、“ 011”時 ，由低 8 位到高 8 位讀取標(biāo)準(zhǔn)頻率 34 計數(shù)值；當(dāng) sel 分別為“ 100”、“ 101”、“ 110”、“ 111”時，由低 8 位到高 8 位讀取被測頻率計數(shù)值。單片機(jī)引腳分配如下： ⑴ sel2~sel0:單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線為 8 位，但是系統(tǒng)的兩個計數(shù)器的總位數(shù)為 64 位，因此單片機(jī)需要分 8 次將計數(shù)器的結(jié)果讀入。 MUX21 選擇器 MUX21 選擇器芯片的功能是在選擇信號 S 的控制下輸出端 Z 輸出不同的信號。計數(shù)器是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式計數(shù)，由于標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的頻率為 40MHz，為了提高測量精度，因此將計數(shù)器的位數(shù)設(shè)為 32 位。 圖 脈寬控制電路原理圖 脈寬控制電路波形圖如圖 所示，其中 1 引腳始終為高電平，當(dāng) CL 為高電平時，PL 引腳輸出寬度 TCLK 高（正）脈沖寬度的脈沖； CL 為低