【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 input signal (0250KHz) in real time and high precision, and uses the LCD screen to display results. This paper describes the relevant principles of hardware and the applications, based on these, it also described the process of the design an debugging of the software, and bines the hardware and the software to plete this design at last. Key words: LM3S2110, Digital Frequency Meter, LCD 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 課題 的目的和意義 在許多情況下，要對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，利用示波器可以粗略測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，精確測(cè)量則要用到數(shù)字頻率計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率計(jì)作為一種測(cè)量工具已經(jīng)成為科研、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)工作中不可缺少的工具。市售的商品數(shù)字頻率計(jì)都是由專門的頻率測(cè)量芯片組裝而成，其特點(diǎn)是精度高、功能強(qiáng)，但價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜。而其它大部分頻率計(jì)均采用普通門電路 或者是 可編程邏輯器 PLD 作為信號(hào)處理系統(tǒng)的控制核心，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端 [1]。在學(xué)校內(nèi)進(jìn)行各類電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，使用頻率計(jì)所要測(cè)量的對(duì)象大多是各種 波形或者脈沖信號(hào)，若采用上述的頻率計(jì)則不合理，故研制一款適用于校內(nèi)使用的數(shù)字頻率計(jì)是很有必要的。 若采用嵌入式技術(shù)，結(jié)合外圍電路或設(shè)備，設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)可達(dá)到較好的效果。該數(shù)字頻率計(jì)可以達(dá)到的特點(diǎn)是： 使用嵌入式智能控制，無須換檔就可對(duì)一定范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其顯示結(jié)果可自動(dòng)轉(zhuǎn)換單位； 可測(cè)量電信號(hào)的周期、頻率等，測(cè)量精度高（誤差小于 %）； 價(jià)格便宜，攜帶方便，可廣泛應(yīng)用于電子實(shí)驗(yàn)室、電子企業(yè)及科研場(chǎng)所。ARM 這一電子時(shí)代的產(chǎn)物，由于其功能強(qiáng)大，使用靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為小型電子系統(tǒng)中的核心部件。 數(shù)字頻率計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 頻率及時(shí)間的測(cè)量以及它們的控制技術(shù)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域，特別是在計(jì)量學(xué)、電子技術(shù)、信息科學(xué)、通信、天文和電子儀器等領(lǐng)域占有越來越重要的地位。從國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)上看，頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高得非?？?，幾乎是每隔6至 8年就提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測(cè)量就顯得更為重要，若配以適當(dāng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的傳感器還可以對(duì)許多物理量進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè) 信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。直接測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測(cè)量，間接測(cè)頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測(cè)量。 數(shù)字頻率計(jì)（用于檢測(cè)方波、正弦波或其他脈沖信號(hào)）的頻率用十進(jìn)制數(shù)字顯示，具有精度高，測(cè)量迅速，讀數(shù)方便等特點(diǎn)?；跀?shù)字頻率計(jì)的應(yīng)用也十分廣泛，可用于電機(jī)測(cè)速、航天、電子工程、測(cè)控、資源勘探 ,儀器儀表等領(lǐng)域。 由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，數(shù)字頻率計(jì)發(fā)展進(jìn)入了智能化和微型化的新階段。其功能進(jìn)一步擴(kuò)大，除了測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間、相位、相位差等基本 功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方均根值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等功能。此外，還能測(cè)量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。 國(guó)際上數(shù)字頻率計(jì)的分類很多。按功能分類，因計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的測(cè)量功能很多，用途很廣。所以根據(jù)儀器具有的功能，電子計(jì)數(shù)器有通用和專用之分。 通用型計(jì)數(shù)器：是一種具有多種測(cè)量功能、多種用途的萬(wàn)能計(jì)數(shù)器。它可測(cè)量頻率、周期、多周期平均值、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等；若配上相應(yīng)插件，就可測(cè)相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎€可進(jìn)行長(zhǎng)度、重量、壓力、溫度、速度等非電量 的測(cè)量。 專用計(jì)數(shù)器：指專門用來測(cè)量某種單一功能的計(jì)數(shù)器。如頻率計(jì)數(shù)器，只能專門用來測(cè)量高頻和微波頻率；時(shí)間計(jì)數(shù)器，是以測(cè)量時(shí)間為基礎(chǔ)的計(jì)數(shù)器，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高，可達(dá) ns數(shù)量級(jí)；特種計(jì)數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計(jì)數(shù)器、予置計(jì)數(shù)器、差值計(jì)數(shù)器、倒數(shù)計(jì)數(shù)器等，用于工業(yè)和白控技術(shù)等方面 [2]。 本設(shè)計(jì)使用的微控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 本次設(shè)計(jì)任務(wù)所要使用到的微控制器是德州儀器 (TI)公司提供的 LM3S2110微控制器，這款微控制器是基于 ARM CortexM3 內(nèi)核 的 微 控制器 ，它為對(duì)成本尤其敏 感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能的 32位運(yùn)算能力。 該 Stellaris系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 于各種關(guān)注成本并明確要求具有的過程控制以及連接能力的應(yīng)用方案。 CortexM3 內(nèi)核 主要是應(yīng)用于小管腳數(shù)、低成本和低功耗的場(chǎng)合，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。 CortexM3 采用了新型的單線調(diào)試(Single Wire)技術(shù)，專門拿出一個(gè)引腳來做調(diào)試，節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費(fèi)用。同時(shí)， CortexM3 可以直接在 MCU 外連接 Flash，降低了設(shè)計(jì)難 度和應(yīng)用障礙，因此其發(fā)展趨勢(shì)亦不容小覷 [3]。 在本次設(shè)計(jì)所需要用到的通用定時(shí)器方面， LM3S2110 表現(xiàn)出了非常優(yōu)秀的能力。 LM3S2110 包含了 3個(gè)通用定時(shí)器模塊（ GPTM），每個(gè)模塊都能提供 2 個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。每個(gè)通用定時(shí)器模塊都能夠被設(shè)置為獨(dú)立運(yùn)作的定時(shí)器或事件計(jì)數(shù)器（總共有 8 個(gè)）可用作單個(gè) 32位的定時(shí)器（最多 4個(gè)）或者用作單個(gè) 32 位的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）以捕獲事件。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)基本要求 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是：利用 ARM CortexM3的定時(shí)器功能，完成對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì) 數(shù)，計(jì)數(shù)的頻率結(jié)果通過 LCD 液晶屏顯示出來。要求：能夠?qū)?0－250KHz 的信號(hào)頻率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)誤差不超過177。 1Hz；充分利用現(xiàn)有 ARM開發(fā)板的硬件平臺(tái)上的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)；采用 32位內(nèi)部時(shí)鐘源定時(shí)完成 1 秒的定時(shí)功能；電源采用 5V 穩(wěn)壓電源輸入設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)功能概述 本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)能夠?qū)崟r(shí)地在 LCD 液晶顯示屏中顯示當(dāng)前系統(tǒng)開啟時(shí)間的計(jì)時(shí)和當(dāng)前被測(cè)信號(hào)的 1 秒內(nèi)的頻率。該數(shù)字頻率計(jì)工作流程圖如圖 所示，初始狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)開啟時(shí)間立即開始計(jì)時(shí)，頻率顯示“ KHz”；當(dāng)接入外部待測(cè)信號(hào)時(shí)，立 即開始檢測(cè) 1 秒內(nèi)的頻率值，并顯示在液晶屏上；當(dāng)按下“暫?！辨I時(shí)，暫停檢測(cè)頻率；當(dāng)按下“繼續(xù)”鍵時(shí)，繼續(xù)檢測(cè)外部信號(hào)頻率。 開 始初 始 化驅(qū) 動(dòng) L C D 顯 示 屏顯 示 “ 0 H z o r n o i n p u t ”有 信 號(hào) 輸 入N開 啟 并 初 始 化 T 0 、 T 1T 1 定 時(shí) 1 sY1 s 時(shí) 間 到T 0 記 錄 信 號(hào) 的 下 降 沿 個(gè) 數(shù)YN關(guān) 閉 T 0 、 T 1顯 示 “ T 0 計(jì) 數(shù) 值 H z ” 圖 數(shù)字頻率計(jì)工作流程圖 設(shè)計(jì)方案概述 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。使用 ARM2110 開發(fā)板來連接 LCD液晶屏及信號(hào)發(fā)生源； LCD 液晶顯示屏采用 QVGA 分辨率 （ 320*240） ，利用圖形顯 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 示外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì)液晶屏進(jìn)行配置；外部信號(hào)發(fā)生源使用 YB1602 型信號(hào)發(fā)生器，用來檢測(cè)本次設(shè)計(jì)和制作的頻率計(jì)是否精確無誤。 定時(shí) 1s測(cè)信號(hào)脈沖次數(shù)的方法原理示意圖如圖 所示。到產(chǎn)生 1s 中斷，產(chǎn)生 1s 中斷后立即關(guān)閉 T0 和 T1（起保護(hù)程序和數(shù)據(jù)的作用） ,此時(shí)取出計(jì)數(shù)器寄存器內(nèi)的值就是 1s內(nèi)待測(cè)信號(hào)的下降沿次數(shù)即待測(cè)信號(hào)的頻率。用相關(guān)函數(shù)顯示完畢后再開啟 T0和 T1 這樣即可進(jìn)入下一輪測(cè)量 [4]。 L M 3 S 2 1 1 0電 源 ( 5 V )L C D顯 示 屏（ 3 2 0 * 2 4 0 ）外 部 待 測(cè) 信 號(hào)（ 信 號(hào) 發(fā) 生 模 塊 ）4 個(gè) 按 鍵蜂 鳴 器 圖 基于 ARM2110的 LCD數(shù)字頻率計(jì)原理框圖 傳 測(cè) 時(shí) 鐘 信 號(hào)T R 1T R 0T 0 的 計(jì) 數(shù) 值?定 時(shí) 1 s??0?1 2 3 n 2 n 1n 　 　n 3 圖 定時(shí) 1s測(cè)信號(hào)脈沖次數(shù)的方法原理圖 對(duì)于頻率的概念就是在 一秒內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)。要測(cè)得到外部信號(hào)的頻率，在軟件方面，就要利用 ARM CortexM3 的定時(shí)器功能，方法如下：用一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器做定時(shí)中斷，定時(shí) 1s，另一定時(shí)計(jì)數(shù)器僅做計(jì)數(shù)器使用，初始化完畢后同時(shí)開啟兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，直經(jīng)由上述的硬件、外設(shè)的使用和連接，以及軟件方面用定時(shí) 1s 測(cè)信號(hào)脈沖次數(shù)的方法，接下去要完善 MCU內(nèi)部軟件的編制。本設(shè)計(jì)的程序方案為：首先加載圖形顯示外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)以驅(qū)動(dòng) LCD 液晶顯示屏；然后等待程 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 序外部待測(cè)信號(hào)的輸入；然后根據(jù)定時(shí) 1s 測(cè)信號(hào)脈沖次數(shù)的方法來操作；最后顯示測(cè)得的頻率值并重復(fù)執(zhí)行程序 ，直到關(guān)閉電源。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成與原理 本次設(shè)計(jì)的 LCD 數(shù)字頻率計(jì)主要使用到的硬件有 LM3S2110 微控制器、獨(dú)立按鍵、 LED 小燈、蜂鳴器、 TLN240T 型 TFTLCD 彩色液晶顯示屏、電源以及用來檢驗(yàn)頻率檢測(cè)效果的 YB1602 型信號(hào)發(fā)生器等。該系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示，利用 LM3S2110 微控制器驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏、頻率檢測(cè)功能、蜂鳴器和 LED 小燈；使用按鍵來重啟、暫?；蛲Ｖ诡l率檢測(cè)；使用蜂鳴器來判斷按鍵的有效性；使用LED 小燈來指示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)（正常運(yùn)行、暫停或停止?fàn)?態(tài)）。系統(tǒng)原理電路圖見附錄三。 ARM2110 開發(fā)板原理與應(yīng)用 ARM2110 開發(fā)板中包含一塊 LM3S2110 微控制器，另外主要可以使用的元器件有： 1 個(gè) RST 鍵， 4 個(gè)獨(dú)立按鍵， 8 個(gè) LED 小燈和 1 個(gè)蜂鳴器。該開發(fā)板的原理電路圖見附錄二。 LM3S2110 特性概述 LM3S2110 微控制器是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C(jī)、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化、 HVAC 和建筑控制、游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。 除此之外，該 LM3S2110 微控制器的 優(yōu)勢(shì)還在于能夠方便的運(yùn)用多種 ARM 的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)（ SoC）的底層 IP 應(yīng)用方案，以及廣大的用戶群體。 另外，該微控制器使用了兼容 ARM 的 Thumb 指令集的 Thumb2 指令集來減少存儲(chǔ)容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。 LM3S2110 微控制器與 Stellaris 系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應(yīng)各種精確的需求 [5]。與此同時(shí)，它還提供出色的計(jì)算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力?？偟膩碚f，其特性包括： 緊湊的內(nèi)核； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 Thumb2指令集，在通常與 8 位和 16位設(shè)備相關(guān)的存儲(chǔ)容量 中，特別是在微控制器級(jí)應(yīng)用的幾千字節(jié)存儲(chǔ)量中，提供 ARM 內(nèi)核所期望的高性能； 高速的應(yīng)用通過 Harvard 結(jié)構(gòu)執(zhí)行，以獨(dú)立指令和數(shù)據(jù)總線為特征； 優(yōu)越的中斷處理能力，通過執(zhí)行寄存器操作來實(shí)現(xiàn)，這些寄存器操作在處理硬件中斷時(shí)使用； 存儲(chǔ)器保護(hù)單元（ MPU）為復(fù)雜的應(yīng)用提供特權(quán)操作模式； 從 ARM7? 控制器系列中移植過來，以獲得更好的性能和電源效率； 功能齊全的調(diào)試解決方案有：串行線 JTAG 調(diào)試端口（ SWJDP）； Flash 修補(bǔ)和斷點(diǎn)（ FPB）單元，用于實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)操作；數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)和觸 發(fā)（ DWT）單元，用于執(zhí)行觀察點(diǎn)、觸發(fā)源和系統(tǒng)性能分析；儀表跟蹤宏單元（ ITM），用于支持 printf 型調(diào)試；跟蹤端口接口單元（ TPIU）用作跟蹤端口分析儀的橋接。 LM3S2110 中斷功能概述 ARM CortexM3 微控制器和嵌套向量中斷控制器 （ NVIC） 將區(qū)分所有異常的優(yōu)先等級(jí)并對(duì)其進(jìn)行處理。所有異常都在控制器模式中處理。在出現(xiàn)異常時(shí)，控制器的狀態(tài)將被自動(dòng)存儲(chǔ)到堆棧中，并在中斷服務(wù)程序 （ ISR） 結(jié)束時(shí)自動(dòng)從堆棧中恢復(fù)。取出向量和保存狀態(tài)是同時(shí)進(jìn)行的，這樣便提高了進(jìn)入中斷的效率。控制器 還支持末尾連鎖（ tailchainin