【正文】 // 所有捕獲單元和正交編碼脈沖電路的寄存器清零，禁止捕獲單元 4和 5， FIFO 堆棧保持原樣， //捕獲單元 4和 5選擇定時器 3為時鐘基準(zhǔn)，捕獲單元 4 檢測上升沿，捕獲單元 5捕獲下降 沿 = 0。而我們還將脈寬的測量范圍擴(kuò)展到了 s～ 1s，在要求最大誤差為 2%的情況下，最大誤差為 %，完全符合題目要求指標(biāo)，且測量范圍大大加寬了。 （ 1）對于發(fā)揮部分指標(biāo)，題目要求對幅值 ～ 3V ，頻率為 10Hz～ 3MHz 的方波、正弦波進(jìn)行頻率、周期測量時，測量誤差在 %以內(nèi)。對于頻率小于 10Hz 的信號進(jìn)行測量時，為了提高快速性，不采取平均的方法，故該段精度偏低，對于頻率大于 10Hz 的信號，采取每測得 7個值輸出一個平均值的方法以降低實(shí)時性為代價提高了精度 。由于高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖頻率為 15064 MHz，所以重點(diǎn)要對這些點(diǎn)進(jìn)行測試，被測信號的頻率由下式可得： 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖頻率為 f0，被測脈沖頻率為 fx，則 (1 )*( 1 1) (1 0)*202000fx T PR f??由于這些點(diǎn)過多，故只有取幾個代表性的點(diǎn)進(jìn)行測試，測量結(jié)果如表 2所示 。在環(huán)境溫度為 0℃ 50℃時，其精度為177。 創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)在實(shí)現(xiàn)等精度測量時本設(shè)計(jì)了采用逆向思維，未使用任何外部硬件進(jìn)行控制計(jì)數(shù)，完全由 DSP 芯片豐富的軟件資源來實(shí)現(xiàn) ，充分利用了 DSP 的軟件資源，體現(xiàn)了 DSP 的強(qiáng)大功能。 (2)串口通信的下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 該部分程序流程圖如圖 所示 。以上幾種方法中第一種使用面較廣，但由于比較復(fù)雜，專業(yè)化程度較高，使用較困難；第二種需要了解硬件電路結(jié)構(gòu)原理；第三種方法較簡單，只需要對串口進(jìn)行簡單配置；第四種方 法是利用一種用于串行通信的 CSerial 類（這種類是由第三方編寫的，不過其獲得較難）， 26 只要理解這種類的幾個成員函數(shù)，就能方便的使用．本設(shè)計(jì)是在 VC++下用 MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通訊 的。在這里不再贅述 。但是，由于程序停止時，采樣數(shù)組下標(biāo)計(jì)數(shù)器可以是 0～ 1023 中的任何值，因此，看到的波形很可能是不連續(xù)的（存在跳變），因?yàn)樵诓蓸訑?shù)組下標(biāo)計(jì)數(shù)器前的數(shù)據(jù)是最新的采樣值，其后是最早的采樣值。當(dāng)被測信號頻率低時，可以直接采樣。如果遇到這種情況，可以在這個函數(shù)中，帶隙參考源電路進(jìn)行上電前，先對整個模塊復(fù)一下位，即在延時函數(shù)的聲明后，加入如下指令語句： = 1。 //對帶隙參考源電路進(jìn)行上電 DELAY_US(ADC_usDELAY)。 ADC 完成上電后，還要等待 20us，才能進(jìn)行第一次 24 模數(shù)轉(zhuǎn)換。 在利用 DSP2812 的 AD模塊來測信號幅值時，信號源采用標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器（ 注意 ：信號幅值不能超過 ），采集完成后就可以通過 CCS 提供的圖形工具來顯示采集到的信號波形。 靈活的中斷控制機(jī)制，允許在每一個或每隔一個轉(zhuǎn)換序列結(jié)束（ EOS）時產(chǎn)生中斷請求。兩個獨(dú)立的 8通道模塊可以及連成為一個 16 通道的模塊。如果沒有，則定時器的溢出次數(shù)自動加一。測脈寬、占空比模塊流程圖如圖 所示 ： 22 開 始捕 獲 5 中 斷 標(biāo)志 位 置 位 ?N捕 獲 4 中 斷 標(biāo)志 位 置 位 ?N讀 出 堆 棧 5 頂 層的 值 并 丟 失 此 值Y讀 捕 獲 單 元 4 , 5 的堆 棧 值 ,計(jì) 算 脈 寬清 捕 獲 5 中 斷 標(biāo) 志 位返 回 并 等 待捕 獲 5 中 斷啟 動 定 時 器 3 和捕 獲 單 元 4 ， 5Y 圖 測脈寬、占空比模塊流程圖 在啟動定時器 T3，捕獲單元 4，捕獲單元 5后，通過讀捕獲單元 5的中斷標(biāo)志位，查看是否發(fā)生了捕獲單元 5 的中斷事件，如果沒有發(fā)生中斷事件，則返回等待。 測脈寬、占空比模塊 在該部分初始化時，要進(jìn)行以下配置： 通用定時器 T3 時鐘輸入為內(nèi)部時鐘輸入，用來對標(biāo)準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)脈沖由外部 30MHZ 的有源晶振提供；初始化 CAP4 為上升沿補(bǔ)獲， CAP5 為下降沿補(bǔ)獲。該模塊軟件流程圖如圖 所示 ： 開 始YN第 一 次 比 較 ?定 時 器 2 溢 出次 數(shù) 清 零N清 比 較 中 斷 標(biāo) 志返 回 并 等 待比 較 中 斷讀 捕 獲 單 元 1捕 獲 的 值計(jì) 算 頻 率 、 周 期啟 動 定 時 器 1 ， 2和 捕 獲 單 元 1定 時 器 1 比 較中 斷 標(biāo) 志 置 位 ？Y 21 圖 測頻率、周期流程圖 在啟動定時器 T1，定時器 T2，捕獲單元 1后，通過讀定時器 T1 的比較匹配中斷 標(biāo)志位查看是否發(fā)生了定時器 T1 的比較匹配事件。初始化時要將捕獲單元 1的狀態(tài)寄存器中的 FIFO 堆棧狀態(tài)設(shè)置成空堆棧；將定時器 T1的定時周期設(shè)置為 3 個被測信號的周期長度，通過測得的定時器 T1 的一個定時周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù)，計(jì)算出被測信號頻率，然后對被測信號進(jìn)行分段，分別為低頻段（小于 ），中頻段（大于 ，小于），以及高頻段（大于 KHz） 。所以一般應(yīng)用中，如果任務(wù)比較簡單，且對將要發(fā)生的事件可預(yù)見，則要求盡量少用中斷模式。 EV 寄存器的初始化是由測量精度、方法及其在系統(tǒng)中的工作方式?jīng)Q定的。 GPIO 初始化模塊中，所用的 I/O 口根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和連接將其配置為 外設(shè)功能，其余 GPIO 口懸空。軟件總體框圖如圖 所示 ： 19 主 監(jiān) 控 程 序 中 斷 模 塊初 始 化 模 塊系 統(tǒng) 初 始 化G P I O 初 始 化P I E 初 始 化E V 模 塊初 始 化通 信 模 塊測 頻 率 周期 模 塊測 脈 寬 占 空 比模 塊S C I 模 塊初 始 化S C I 中 斷 定 時 器 2 中斷定 時 器 3 中斷 圖 軟件總體框圖 初始化模塊 初始化模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng) F281全局變量的初始化操作。模擬地與數(shù)字地之間接 0? 電阻。 18 模 擬 地?cái)?shù) 字 地+ 5 V 5 V模 擬 部 分?jǐn)?shù) 字 部 分3 .3 V1 .8 VD C /D C 變 換 器C S 5 1 4 1 4L 7 9 0 5L 7 8 0 5線 性 穩(wěn) 壓 器T P S 7 6 70 1 2 V+ 1 2 VG N D5 V 圖 系統(tǒng)總體供電框圖 該模塊主要由線性穩(wěn)壓電路及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器組成。 通訊模塊 通訊模塊接至 F2812 的 SCI 模塊，通過 9芯標(biāo)準(zhǔn) RS232 口與其它系統(tǒng)進(jìn)行串行通訊。這從而為高速采集和處理信號提供了保障。 F2812 協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)各模塊的有序工作及承擔(dān)著信號處理的任務(wù)。 信號處理模塊以 DSP 芯片 TMS320F2812 為核心。實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對于頻率小于 1KHZ 的正弦波信號，經(jīng)比較器整形后的輸 出波形的邊沿有比較嚴(yán)重的抖動，故對比較器加入正反饋，使用阻值 1M? 的電阻和 10K? 的電阻組成正反饋，可消除抖動。為了使電路不僅能夠測量雙極性信號，還能夠測量單極性的信號，將參考端電壓適當(dāng)?shù)奶Ц撸瑓⒖茧妷?V_取 ，由阻值為 13K、 510? 的電阻分壓得到。測占空比的精度取決于測周期和脈寬的精度 。 （ 1）在低頻段（被測信號頻率小于 ），采用一個被測信號周期里至少50000 個標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖，每次測量共 4個被測信號周期長度，所以理論上被測信號頻率的測量誤差應(yīng)小于 61 200 000 5e?? ? ?。經(jīng)若干次（大于 30 次）測量發(fā)現(xiàn)，在信號頻率大于200Hz 時，測量誤差基本恒定，為百萬分之十八，為了進(jìn)一步提高精度，在測得的結(jié)果中統(tǒng)一乘以一個系數(shù) a， 1 18 100 000 0a ?? ，即 ? ，去除該誤差，得到了更高的精度。當(dāng)數(shù)組存滿后，對這 7 個數(shù)進(jìn)行從小到大的冒泡排序，然后去掉數(shù)組中排序前兩個和排序最后兩個值，把剩下的三個值進(jìn)行平均，這樣不僅去除了系統(tǒng)偶爾受外界干擾得到的不 14 穩(wěn)定值，而且可以提高測量精度。 (b)把控制寄存器的位改為“立即重載”，這樣只要重載初始化時的值，就可以立即裝載，然后再把控制寄存器的位改回原來的值。因此如果開始在高頻段，現(xiàn)在溢出次數(shù)大于 98 次，表示被測信號頻率的確是由高變低了，但并不能區(qū)分信號頻率到底變?yōu)橹蓄l段，還是低頻段，所以重新初始化，重新測信號頻率。要進(jìn)行以下處理：把定時器 T1，定時器 T2 的寄存器配置重新設(shè)置為系統(tǒng)初始化時的狀態(tài)，即把定時器 T1的周期寄存器的值 T1PR 設(shè)為3，定時器 T2 的內(nèi)部時鐘分頻系數(shù)設(shè)為 64 分頻，重新 計(jì)算頻率。對于被測信號頻率小于等于 767953 Hz時，采用等精度測量，即周期匹配值設(shè)為 4* 3N? ，同時為了提高精度，把定時器T2 的內(nèi)部時鐘分頻數(shù)設(shè)為 8 分頻，即以 15016 MHz 的頻率作為內(nèi)部時鐘頻率。 (b)對于中頻段，本設(shè)計(jì)采用等精 度測量。如果周期值設(shè)為很大的話，若輸入信號頻率很低，就會等待很長的時間才得出結(jié)果，不利于實(shí)時測量。 fx計(jì)數(shù)的啟停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在一次測量時間內(nèi) fx的計(jì)數(shù)無誤差；在此時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的計(jì)數(shù)個數(shù) Ny 最多相差一個脈沖，即 1et?? fx Nx fs Ny? （ 31） 而 0 ( )fx e Nx f Ny et? ? ? （ 32） 由式（ 31）和式（ 32）可得 ( 0 )fx f Ny Nx?? (33) [ ( ) ]fx e fs N y et N x? ? ? ? (34) 根據(jù)相對誤差公式有 fx e fx e fx e fx fx e? ? ? ? ? (35) 將式（ 33）、（ 34）代入式（ 35）經(jīng)整理得 fxe fxe et Ny? ? ? (36) ∵ 1et?? ∴ 1et Ny Ny?? (37) 12 即 1fx e fx e Ny? ? ? ? 顯然，測量精度僅僅與 Ny 有關(guān)，只要保證 Ny的值，就能保證精度。而本設(shè)計(jì)采用逆向思維，由被測信號自己產(chǎn)生門閘信號，若希望誤差不大于二十萬分之一。 T1PR+1 = n Ny由于不一定為整數(shù)，假設(shè) 1a n Ny a? ? ?（ a 為整數(shù)） , 則取 n Ny 1a??，表現(xiàn)在被測信號上，則與傳統(tǒng)的用硬件控制一樣，用下一個被測信號的上升沿作為門閘信號的關(guān)閉信號，只不 過該上升沿發(fā)生在下一次的比較匹配時。其中被測信號的個數(shù)為整數(shù)，并且是由我們自己任意設(shè)定的。 基 準(zhǔn) 信 號預(yù) 置 門被 測 信 號清 零 信 號E NC L KC L RE NC L KC L RC N T 1O U T P U TC N T 2O U T P U TS T A R TD QC L R TT ’定 閘 門 信 號實(shí) 際 閘 門 信 號被 測 頻 率 信 號標(biāo) 準(zhǔn) 頻 率 信 號 圖 傳統(tǒng)的等精度測量原理 10 傳統(tǒng)的等精度測量一般像圖 所示由硬件控制計(jì)數(shù)的門閘時間，當(dāng)預(yù)置們信號（即定閘門信號）為高電平時，基準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)器 CNT1 和被測信號計(jì)數(shù)器 CNT2 并不啟動，而是等被測信號的上升沿來到時才同時開始計(jì)數(shù)，當(dāng)預(yù)置們信號為低電平時，兩個計(jì)數(shù)器并不馬上關(guān)閉，同樣要等到被測信號上升沿，于是實(shí)際閘門時間就是被測信號周期的整數(shù)倍，從而實(shí)現(xiàn)了閘門與被測信號的同步。如圖 所示，整形后的被測信號直接送入 DSP CAP CAP5 引 9 腳，對被測信號的上升沿和下降沿分別捕獲 ， 首先使能 CAP4 為上升沿捕獲，當(dāng)CAP4 捕獲上升沿時，立即使能 CAP5 為下降沿捕獲，在每次的 CAP5 捕獲中斷中計(jì)算脈寬。從下一個周期開始即可獲得理想的精度。捕獲單元 CAP1 設(shè)置為上升沿捕獲， T1PWM 輸出的 PWM 波上升沿被捕獲單元 1 捕獲到，該上升沿作為門閘時間開啟信號，下一次上升沿到達(dá)作為該門閘時間的停止信號。該等精度測量基于 DSP 比較匹配時 T1PWM 引腳輸出電平的跳變作為門閘信號的開啟和關(guān)閉，由于比較匹配發(fā)生在被測信號的上升沿，從而實(shí)現(xiàn)了門閘時間與被測信號的同步（本等精度測量與傳統(tǒng)等精度測量原理的相似性分析在 節(jié)）。通訊使用了 SCI 單元 A，使用 RS232 與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。 6 3 系統(tǒng)方案 總體介紹 本設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)盡量簡 單，測量精度盡量高為目標(biāo)，在盡量發(fā)揮 DSP 軟件資源的驅(qū)動下完成的。 5 2 系統(tǒng)指標(biāo) 本設(shè)計(jì)達(dá)到了該題目要求的所有基本指標(biāo)和發(fā)揮部分指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。 另外， 數(shù)字頻率計(jì) 還廣泛應(yīng) 用