【正文】 塊和電壓測(cè)量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成頻率的多周期同步法測(cè)量、電壓的A/D轉(zhuǎn)換法測(cè)量和測(cè)量結(jié)果顯示。圖4. 1系統(tǒng)總流程圖 頻率測(cè)量子流程圖用定時(shí)器T1來產(chǎn)生一個(gè)1S的時(shí)鐘基準(zhǔn)，再將累積計(jì)數(shù)值M送數(shù)碼管顯示。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從0到1的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在定時(shí)閘門信號(hào)的控制下可以用來測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。將51單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別定義為：T0為計(jì)數(shù)器，T1為定時(shí)器，均采用方式1，即方式控制字TMOD為51H。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，檢測(cè)一次從到的跳變需要個(gè)機(jī)器周期。定時(shí)計(jì)數(shù)沒有溢出的最大計(jì)數(shù)值為65535。圖4. 2頻率測(cè)量子流程圖 A/D轉(zhuǎn)換子流程圖ADC0809的EOC端是表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。本設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換采用查詢的方式。圖4. 3 A/D轉(zhuǎn)換子流程圖程序代碼:includeincludedefine IN0 XBYTE[0xfef0] //設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換通道0的地址sbit ad_busy=。 //直接連接EOCvoid wait (unit n)。 //延時(shí)函數(shù)void ad0809(uchar idata *x){ uchar i。uchar xdata *ad_adr。ad_adr=amp。IN0。for(i=0。i8。i++) //處理8通道{ *ad_adr=0。 //啟動(dòng)轉(zhuǎn)換wait(100)。 //調(diào)用延時(shí)程序while(ad_busy==0)。 //查詢等待轉(zhuǎn)換結(jié)束x[i]=*ad_adr。 //存轉(zhuǎn)換結(jié)果ad_adr++。 //下一通道}}void wait (unit n) //延時(shí)程序{unit i , j。for(i=0。in。i++)for(j=0。j100。j++)}void main (void) //采樣ADC0809通道的值{ stactic uchar idata ad[10]。 ad0809(ad)。} 顯示子程序顯示電路采用164的LCD液晶屏顯示，頻率、電壓數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理后送到屏幕顯示。 圖4. 4 顯示流程圖 軟件延時(shí)程序在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中使用非常廣泛，例如，鍵盤接口程序設(shè)計(jì)中的軟件消除抖動(dòng)、動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)、LCD 接口程序設(shè)計(jì)等等。所謂延時(shí)，就是使 CPU 做一些與主程序功能無關(guān)的操作（例如將一個(gè)數(shù)逐次減1 直到為0）來消耗掉 CPU 的時(shí)間。由于 CPU 執(zhí)行每條指令的準(zhǔn)確時(shí)間是可知的，因此執(zhí)行整個(gè)延時(shí)程序的時(shí)間也可以精確計(jì)算出來。時(shí)鐘周期：也稱為振蕩周期，一個(gè)時(shí)鐘周期等于晶振頻率的倒數(shù)。機(jī)器周期：MCS51 單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為12 個(gè)時(shí)鐘周期。如果采用6MHz 晶振，則每個(gè)機(jī)器周期為12/6=2μS；如果采用12MHz 晶振，則每個(gè)機(jī)器周期為12/12=1μS； 晶振，則每個(gè)機(jī)器周期為12/=。指令周期：是指 CPU 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間,它是以機(jī)器周期為單位的，指令不同，所需的機(jī)器周期也不同。每條指令的指令周期可以通過查匯編指令表獲得。第五章 誤差分析 177。1誤差在測(cè)頻時(shí)，主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，所以他們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。這樣，在相同的主門開啟時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同，當(dāng)主門開啟時(shí)間T接近甚至等于被測(cè)信號(hào)周期Tx的整數(shù)(N)倍時(shí)，此項(xiàng)誤差最大。若主門開啟時(shí)刻為t0，而第1個(gè)記數(shù)脈沖出現(xiàn)在tx，當(dāng)Tx＞△t＞0時(shí)，這時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)得N個(gè)數(shù)；而當(dāng)△t→0時(shí)，這就有兩種可能的計(jì)數(shù)結(jié)果：若第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖和第N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖都能通過主門，則可計(jì)得N+1個(gè)數(shù)；也可能這兩個(gè)脈沖都沒有能進(jìn)入主門，則只能計(jì)得N1個(gè)數(shù)。由此可知，最大的計(jì)數(shù)誤差為△N=177。1個(gè)數(shù)?？蓪懗桑骸鱊/N=177。1/N=177。1/Tfx從式中可知，不管計(jì)數(shù)值N為多少，其最大誤差總是177。1個(gè)計(jì)數(shù)單位，故稱“177。1個(gè)字誤差”，簡(jiǎn)稱“177。1誤差”。 時(shí)基誤差時(shí)基信號(hào)一般由計(jì)數(shù)器內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生。由于振蕩器輸出頻率本身存在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面的問題，比如12M晶體振蕩器的輸出頻率相對(duì)于額定值12MHz略有誤差，由它而得到的閘門時(shí)間也必有誤差，從而使在這段閘門時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)產(chǎn)生誤差。 周期測(cè)量法的誤差當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率小于100Hz時(shí)，直接測(cè)量的是信號(hào)的周期。周期測(cè)量的誤差表達(dá)式為： dT/T=|dN/N|+|dτ0/τ0|這里dN/N為量化誤差，dτ0/τ0為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進(jìn)行周期測(cè)量時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)頻率小于10Hz，使用12MHz時(shí)鐘這時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為100000。待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值，這時(shí)的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。 多周期同步法的誤差當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率大于100Hz時(shí)，采用多周期同步法進(jìn)行測(cè)量。多周期同步法的誤差表達(dá)式為：fx/Nx=f0/N0 (2)由此可推得：fx=(f0/N0)Nx (3)設(shè)所測(cè)頻率的準(zhǔn)確值為fx0。在一次測(cè)量中，由于fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間是由該信號(hào)的上升沿控制的，因此，在Tg時(shí)間內(nèi)對(duì)fx的計(jì)數(shù)Nx無誤差。在此時(shí)間內(nèi)f0的計(jì)數(shù)N0最多相差一個(gè)脈沖，即|△N0|≤l，則下式成立：fx/Nx=f0/N0fx0/Nx =f0/(N0+△N0) (4)由此可分別推得：fx=(f0/N0)Nxfx0=[f0/(N0+△N0)]Nx (5)根據(jù)相對(duì)誤差公式有：△fx0/fx0=|fx0 fx|/fx0 (6)將式(3)和式(5)代人式(6)整理后可得：fx0/fx0=|△N0|/N0 (7)因?yàn)椋簗△N0|≤1,所以：|△N0|/N0≤1/N0 （8）即相對(duì)誤差：|δf|=△fx0/fx0≤1/N0 （9）其中：N0=Tsf0 （10）由上式可以得出結(jié)論：(1)相對(duì)誤差δf，與被測(cè)信號(hào)頻率無關(guān)；(2)增大Tg或提高f0，可以增大N0，從而減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度；(3)測(cè)量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)頻率無關(guān)；(4)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為△f0/f0，由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差很小。在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率f=12MHz時(shí)，fo=f/12=MHz。由式(1O)。同步門時(shí)間Ts(s)相對(duì)誤差|δf|110104105106107在時(shí)頻測(cè)量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決177。1個(gè)字的誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際閘門邊沿與標(biāo)頻填充脈沖邊沿并不同步。圖5. 1 原理波形圖，T=NoT△t2+△t1，如果能準(zhǔn)確測(cè)量出短時(shí)間間隔△t1和△t2，也就能夠準(zhǔn)確測(cè)量出時(shí)間間隔Tx,消除177。1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，從而進(jìn)一步提高精度。為了測(cè)量短時(shí)間間隔△t1和△t2，通常使用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用，雖然精度有很大提高，但終未能解決177。1個(gè)字的誤差這個(gè)根本問題，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。要得到精度高，時(shí)間響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的頻率和時(shí)間測(cè)量方法是比較困難的。從結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單同時(shí)兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時(shí)延的短時(shí)間間隔測(cè)量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻范圍內(nèi)的等精度高分辨率測(cè)量。量化時(shí)延法測(cè)短時(shí)間間隔:光電信號(hào)可以在一定的介質(zhì)中快速穩(wěn)定的傳播，且在不同的介質(zhì)中有不同的延時(shí)。通過將信號(hào)所產(chǎn)生的延時(shí)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。其基本原理是“串行延遲并行計(jì)數(shù)”，而不同干傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器的串行計(jì)數(shù)方法，即讓信號(hào)通過一系列的延時(shí)單元，依靠延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性，在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的精確測(cè)量。圖5. 2 量化時(shí)延原理量化時(shí)延思想的實(shí)現(xiàn)依賴于延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性，其分辨率取決于單位延時(shí)單元的延遲時(shí)間。作為延時(shí)單元的器件可以是無源導(dǎo)線，有源門器件或其它電路。其中，導(dǎo)線的延遲時(shí)間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時(shí)間相對(duì)較長?？紤]到延遲可預(yù)測(cè)能力，最終選擇了CPLD器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。將短時(shí)間間隔的開始信號(hào)送入延時(shí)鏈中傳播，當(dāng)結(jié)束信號(hào)到來時(shí)，將此信號(hào)在延時(shí)鏈中的延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行鎖存，通過CPU讀取，判斷信號(hào)經(jīng)過的延時(shí)單元個(gè)數(shù)就可以得到短時(shí)時(shí)間間隔的大小，分辨率決定干單位延時(shí)單元的延時(shí)時(shí)間。一般來講，為了測(cè)量?jī)蓚€(gè)短時(shí)間間隔，使用兩組延時(shí)和鎖存模塊，但實(shí)際上，給定的軟件閘門時(shí)間足夠大，允許CPU完成取數(shù)的操作，即能夠在待測(cè)時(shí)間間隔結(jié)束之前取走短時(shí)間隔△t1對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)，通過一定的控制信號(hào)，可以只用一組延時(shí)和鎖存單元，這樣可以節(jié)省CPLD內(nèi)部的資源。利用多周期同步與量化時(shí)廷相結(jié)合的方法，計(jì)算公式為：T=n0t0+nlt1n2t1 (7)式(7)中，n0為對(duì)填充脈沖的計(jì)數(shù)值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；nl為短時(shí)間隔△t1對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)；n2為短時(shí)間隔△t2對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)；t1為量化延遲器件延時(shí)單元的延遲量()。這樣，利用多周期同步法，實(shí)現(xiàn)了閘門和被測(cè)信號(hào)同步；利用量化時(shí)延法，測(cè)量了原來測(cè)不出來的兩個(gè)短時(shí)間間隔，從而準(zhǔn)確地測(cè)量了實(shí)際閘門的大小，也就提高了測(cè)頻的精度。參考文獻(xiàn)[1] 周航慈．單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991[2] 李華等．MCS－51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993[3] 余永權(quán)．ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002[4] 張友德等．單片微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1996[5] 何立民．MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999[6] 胡漢才．單片機(jī)原理及其接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社，1997[7] 蔣煥文，孫續(xù)．電子測(cè)量(第2版)．北京：中國計(jì)量出版社，1994[8] 張學(xué)莊，廖翊希．電子測(cè)量與儀器．長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1993[9] 周志德．單片機(jī)原理及應(yīng)用．北京：高等教育出版社，1999[10] 何立民．單片機(jī)接口技術(shù)選編（18）．北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ，1997[11] 竇振中．單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)（14）．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998[12] 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腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，這也是我這次能很好完成畢