【文章內(nèi)容簡介】 時/計數(shù)器0對外部的待測信號進行計數(shù)，定時/計數(shù)器1定時1s時間到TR清0，停止計數(shù)。從計數(shù)寄存器0讀出測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示量結(jié)果。單片機外接晶振為12MHz，單片機指令周期為1μs，當(dāng)被測頻率信號過高時單片機不能測量。2) 定時法測頻率使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的分頻器二分頻變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波加至定時/計數(shù)器1的輸入腳，及外部中斷INT1口，由INT1口高電平和軟件置位TR1，同時控制啟動定時/計數(shù)器1對單片機的機器周期的計數(shù)，并檢測方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時TR1清0，停止計數(shù)，然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)。這時讀出的數(shù)據(jù)反映的是待測信號的周期，通過數(shù)據(jù)處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結(jié)果。 頻率計測頻原理頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。首先定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值(即測量頻率的高量程)開始測量，計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1s(對應(yīng)的頻率測量范圍為100～999Hz)時測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/計數(shù)器的工作被設(shè)置為定時器方式，定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停止計數(shù)。16位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65 535，當(dāng)待測信號的頻率較低時，定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時，程序進入定時器中斷服務(wù)程序，對溢出次數(shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成：定時/計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/計數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關(guān)系為：f=1/T。完成信號的周期測量后，需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度，采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)由3個字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)通過截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其進行處理，獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。再通過浮點數(shù)到ASCII碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計都開始下一次信號的頻率測量。 設(shè)計思路及方法本頻率計的結(jié)構(gòu)主要包括時鐘信號發(fā)生電路、分頻電路、單片機控制電路和LCD顯示電路組成。頻率計的主要核心部件是采用AT89S52來產(chǎn)生定時和記錄脈沖變化次數(shù)，運用AT89S52來構(gòu)成計數(shù)器，突破了大部分運用數(shù)字電路模板來構(gòu)成計數(shù)器。本設(shè)計主要采用AT89S52芯片和LCD數(shù)碼管來實現(xiàn)，軟件編程主要是采用C51語言來編程。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：信號處理單片機信號處理LCD驅(qū)動LCD顯示圖31 頻率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 頻率計方案概述本頻率計的設(shè)計以AT89S52單片機為核心，利用他內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機AT89S52內(nèi)部具有3個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加1(使用12 MHz時鐘時，每1μs加1)，這樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期(24個振蕩周期)，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/24(使用12MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz)。定時/計數(shù)器的工作由運行控制位TR控制，當(dāng)TR置1，定時/計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)TR清0，停止計數(shù)。 本設(shè)計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求。例如當(dāng)要求頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字，這時如果待測信號的頻率為1 Hz，則計數(shù)閘門寬度必須大于1000 s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求，把測量工作分為兩種方法：① 當(dāng)待測信號的頻率＞100Hz時，定時/計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器，以機器周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門，計數(shù)閘門寬度＞1s時，即可滿足頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字；② 當(dāng)待測信號的頻率＜100Hz時，定時/計數(shù)器構(gòu)成為定時器，由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波，方波寬度等于待測信號的周期。這時用方波作計數(shù)閘門，當(dāng)待測信號的頻率＝100Hz，周期為10ms，使用12MHz時鐘時的最小計數(shù)值為10000，完全滿足測量精度的要求。 頻率計的量程自動切換使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號為單片機定時/計數(shù)器的計數(shù)源，利用軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為：定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動定時/計數(shù)器工作；運行軟件延時程序，同時定時/計數(shù)器對外部的待測信號進行計數(shù)，延時結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的預(yù)處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時/計數(shù)器的輸入腳。工作高電平是否加至定時/計數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定高電平加至定時/計數(shù)器的輸入腳，運行控制位TR置1，啟動定時/計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù)，同時檢測方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)，然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)。這時讀出的數(shù)據(jù)反映的是待測信號的周期，通過數(shù)據(jù)處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計數(shù)法，即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計的頻率計用5位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果：前3位為測量結(jié)果的有效數(shù)字；第4位為指數(shù)的符號；第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測量結(jié)果的顯示精度，又保證了測量結(jié)果的顯示范圍(～)。頻率計測量量程自動轉(zhuǎn)換的過程由頻率計測量量程的高端開始。由于只顯示3位有效數(shù)字，測量量程的高端計數(shù)閘門不需要太寬，～，計數(shù)閘門寬度為10ms即可。頻率計開始工作時使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量，并使計數(shù)閘門寬度為最窄，完成測量后判斷測量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字，如果成立，將結(jié)果送去顯示，完成測量工作；否則將計數(shù)閘門寬度擴大10倍，繼續(xù)進行測量判斷，直到計數(shù)閘門寬度達到1s，這時對應(yīng)的進入單片機的待測信號頻率范圍為100～999Hz。如果測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法實現(xiàn)頻率測量。定時方法測量的是待測信號的周期，這種方法只設(shè)一種量程，測量結(jié)果通過浮點數(shù)運算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示。無論采用何種方式，只要完成一次測量，頻率計自動開始下一個測量循環(huán)，因此該頻率計具有連續(xù)測量的功能，同時實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計本頻率計的硬件電路主要由時鐘信號發(fā)生器、頻率計控制電路和LCD顯示電路組成。頻率計的主要核心部件是采用AT89S52的內(nèi)部定時/計數(shù)器來產(chǎn)生定時和記錄脈沖變化次數(shù)。主要用到的元器件有晶振器件、電阻、74LS074LS774LS00、AT89S52單片機、LCD1602等。其硬件系統(tǒng)框圖如32所示：輸入通道單片機系統(tǒng)被測信號同步接口控制電路輸入通道圖32 硬件系統(tǒng)框圖 時鐘信號發(fā)生器時鐘信號發(fā)生器是頻率計的頻率信號產(chǎn)生電路，它是由一個晶振、兩個電阻、一個電容及兩個非門74LS04構(gòu)成的工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)的TTL門電路振蕩器。當(dāng)電路頻率為串聯(lián)諧振頻率時，晶體的等效電抗接近零(發(fā)生串聯(lián)諧振)，串聯(lián)諧振頻率信號最容易通過閉環(huán)回路，這個頻率信號通過兩級反相后形成反饋振蕩，晶體同時也擔(dān)任著選頻作用，在工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)的振蕩電路，它的頻率取決于晶體本身具有的頻率參數(shù)。也就是說，石英晶體多諧多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率，與外接電阻、電容無關(guān)。圖41為頻率計的時鐘信號發(fā)生電路的原理圖：圖41 時鐘信號發(fā)生原理圖 AT89S52 控制寄存器 AT89S52中斷控制系統(tǒng)AT89S52的中斷系統(tǒng)共有8個中斷源，6個中斷矢量，兩級中斷優(yōu)先級，可有軟件設(shè)定實現(xiàn)兩級嵌套，可通過軟件來屏蔽或響應(yīng)個對應(yīng)的中斷請求。1) AT89S52中斷源AT89S52的中斷系統(tǒng)有8個中斷源，對應(yīng)有6個中斷矢量。其外部中斷有兩種觸發(fā)中斷的方式，即低電平觸發(fā)和跳轉(zhuǎn)觸發(fā)。各種中斷請求信號分別由定時/計數(shù)器控制寄存器TCON和串行通信控制寄存器SCON的相應(yīng)位鎖存，提供給主機查詢和采樣。TCON控制寄存器是由定時計數(shù)器和中斷請求兩者合用，其格式如表41：表41 TCON控制寄存器TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H各位含義如下：TF1：定時/計數(shù)器1回0溢出中斷請求標(biāo)志位TR1:定時/計數(shù)器1啟/?？刂莆籘F0：定時/計數(shù)器0回0溢出中斷請求標(biāo)志位TR0：定時/計數(shù)器0啟/?？刂莆籌E1:外部中斷(INT1)請求標(biāo)志位IE0:外部中斷(INT0)請求標(biāo)志位IT1:用軟件置位/復(fù)位IT1來選擇外部中斷INT1是跳變還是電平觸發(fā)中斷請求IT0：用軟件置位/復(fù)位IT1來選擇外部中斷INT1是跳變還是電平觸發(fā)中斷請求2) 中斷控制AT89S52的中斷是可編程的，即可通過軟件來實現(xiàn)對中斷系統(tǒng)功能進行設(shè)置和控制。AT89S52的中斷均屬可屏蔽中斷，即通過軟件對特殊功能寄存器IE的設(shè)置，實現(xiàn)對各中斷源的中斷請求開放或屏蔽的控制。中斷控制寄存器IE的格式及各位含義如表42所示：表42 中斷控制寄存器IE的格式IEEAXET2ESET1EX1ET0EX0位地址AFHADHACHABHAAHA9HA8HEA()：全部中斷允許/禁止位。X()：保留位，無意義。ET2()：定時/計數(shù)器2回0溢出或捕獲中斷響應(yīng)控制。ES()：串行通信接收/發(fā)送中斷響應(yīng)控制位。ET1()：定時/計數(shù)器1回0溢出或捕獲中斷響應(yīng)控制。EX1()：外部中斷INT1中斷響應(yīng)控制位。ET0()：定時/計數(shù)器0回0溢出或捕獲中斷響應(yīng)控制。EX0()：外部中斷INT0中斷響應(yīng)控制位。從上可見AT89S52的中斷響應(yīng)為兩級控制，EA為總的中斷響應(yīng)控制位，各對應(yīng)的中斷源還有中斷響應(yīng)控制位。3) 中斷優(yōu)先級AT89S52的中斷設(shè)有兩級優(yōu)先級，每個中斷源均可通過軟件對中斷優(yōu)先級寄存器IP的對應(yīng)位進行設(shè)置，變成為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級，置1為高優(yōu)先級，清0為低優(yōu)先級。正在執(zhí)行的低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序可以被高優(yōu)先級的中斷請求所中斷，但不能被同級或低優(yōu)先級中斷源中斷請求所中斷；正在執(zhí)行的高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序不能被任何中斷源中斷請求所中斷。兩個或兩個以上的中斷源同時請求中斷時，主機只響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷請求。為了實現(xiàn)上訴述規(guī)則，中斷系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有兩個不可尋址的中斷優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，其中一個用于指示正在服務(wù)于高優(yōu)先級的中斷，并阻止所有其他一切中斷請求的響應(yīng)，另外一個則用于指示正在服務(wù)于低高優(yōu)先級的中斷，除能被高優(yōu)先級中斷請求所終端外，阻止其他同級或低于它的中斷請求所中斷。中斷優(yōu)先級控制器IP，其地址字節(jié)為B8H，具有位尋址功能，可通過軟件設(shè)定各個中斷源的中斷優(yōu)先級。IP控制寄存器的格式如表43所示：表43 IP控制寄存器格式IPXXPT2PSPT1PX1PT0PX0位地址BDHBCHBBHBAHB9HB8H各位含義如下：X、X (、)：保留位，無定意義。PT2()：定時/計數(shù)器2的中斷優(yōu)先級設(shè)置位。PS()：串行通信中斷優(yōu)先級設(shè)置位。PT1()：定時/計數(shù)器1的中斷優(yōu)先級設(shè)置位。PX1()：外部中斷INT1中斷優(yōu)先級設(shè)置位PT0()：定時/計數(shù)器0的中斷優(yōu)先級設(shè)置位。PX0()：:外部中斷INT0中斷優(yōu)先級設(shè)置位復(fù)位后IP的內(nèi)容為00H。 AT89S52定時/計數(shù)器的控制AT89S52片內(nèi)集成了3個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器0和1是通用的定時計數(shù)器，定時計數(shù)器2集定時、計數(shù)和捕獲三種功能于一體，功能更強。組成定時/計數(shù)器的核心是一個16位的加1計數(shù)器。這個16位的計數(shù)器是兩個8位的計數(shù)器(THx、TLx)組成。提供給計數(shù)器實現(xiàn)加1計數(shù)的信號有兩個來源：一個是由外部提供的計數(shù)脈沖通過引腳Tx端口送加1計數(shù)器；另一個則由單片機內(nèi)部的時鐘脈沖經(jīng)12分頻后送加1計數(shù)器。因此，既可用于定時方式，又可用于對外部事件的計數(shù)方式，對于定時/計數(shù)器2還有“捕獲”方式。工作方式是通過軟件對特殊功能寄存器TMOD和T2CON的設(shè)置來進行選擇。本次頻率計的設(shè)計中只用到定時/計數(shù)器的定時和計數(shù)功能，應(yīng)此只需用到定時計數(shù)器0、1。AT89S52單片機為定時計數(shù)器設(shè)有特殊功能寄存器TMOD、TCON和T2CON，用于定義他們的工作方式及其控制功能的實現(xiàn)。當(dāng)每執(zhí)行一條改變上述特殊功能寄存器內(nèi)容的指令時，其改變內(nèi)容將鎖存于寄存器中，并在該指令的下一條指令的第一個機器的S1P1開始生效。定時/計數(shù)器0和1的的操作模式和工作方式由控制寄存器來定義的，其格式如下：表44 定時/計數(shù)器工作方式寄存器GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TMOD寄存器內(nèi)容分為兩部分，低4位用于定時/計時器0，高4位用于定時/計