【正文】 在每次比較匹配時讀取定時器 T2 的計(jì)數(shù)值 T2CNT，該值保存在 CAP1FIFO 內(nèi)。本系統(tǒng)中用到的中斷部分除 SCI 中斷和定時器 2， 3 的中斷外均采用讀中斷標(biāo)志位來處理，而且 20 先讀測頻率模塊的中斷標(biāo)志位，后讀測脈寬模塊的中斷標(biāo)志位，最后等待 SCI 中斷。由于中斷越多，程序運(yùn)行時就越有可能導(dǎo)致中斷沖突，特別是在 同一 CPU優(yōu)先級情況下會沖突。全局變量的初始化包括程序中所要使用的各種標(biāo)志變量及參數(shù)的初始化 。 EV 模塊是系統(tǒng)的主要部分，用于測量信號頻率、周期、脈寬。 PIE 模塊初始化包括中斷控制寄存器和中斷向量表的初始化。系統(tǒng)初始化模塊中禁止了看門狗模塊，并且配置了高速外設(shè)時鐘和低速外設(shè)時鐘的預(yù)定標(biāo)器，其中高速外設(shè)時鐘的預(yù)定標(biāo)器設(shè)置成除以 2 模式，低速外設(shè)時鐘設(shè)置成除以 4 模式。 F2812 的初始化包括系統(tǒng)初始化， GPIO 初始化， SCI 模塊初始化， PIE 初始化， EV 模塊初始化等。系統(tǒng)軟件包含的主要功能模塊有：初始化模塊，測頻率、周期模塊，測脈寬、占空比模塊，通信模塊和中斷模塊。 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)方案，將完成特定功能的子程序組合成功能模塊，由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用。為了減小數(shù)字部分對模擬部分的影響，系統(tǒng)中將數(shù)字電源與模擬電源、數(shù)字地與模擬地分開。由于系統(tǒng)輸入信號為雙極性，比較器 TL3016ID 又要求正負(fù)雙電源供電，故該系統(tǒng)使用177。 圖 通訊部分硬件連接圖 電源管理模塊 系統(tǒng)供電電路總體框圖如圖 所示。選用 F2812 片上 SCIA 作為串行通訊口，選用 MAX3221 作為串口通訊信號電平轉(zhuǎn)換模塊的主要器件，其波特率最高可達(dá) 250Kbit/s。 17 圖 標(biāo)準(zhǔn)時鐘發(fā)生電路 通用定時器的計(jì)數(shù)方向引腳 TDIRA、 TDIRB 通過上拉電阻確定為單增計(jì)數(shù)，插針為以后更改方向起預(yù)留作用 。因而，系統(tǒng)中 F2812由外部 30MHZ 的有源晶振提供時鐘信號，并在其內(nèi)部倍頻至 150MHZ。 F2812 的另一個特點(diǎn)就是其 CPU 時鐘頻率已經(jīng)可以達(dá)到 150MHz，即單周期指令執(zhí)行時間為 。 復(fù)位電路采用阻容式電路，以方便進(jìn)行手動復(fù)位。其中系統(tǒng)中， EV 模塊是本設(shè)計(jì)的核心模塊，測周期、頻率、脈寬、占空比都是依據(jù)它的功能來得到的。 TMS320F2812 含有豐富的片上外設(shè)資源 ，如 ADC、事件管理器、 PIE、看門狗、 SCI、 SPI 等 [7]。（圖中均未標(biāo)出） DSP 選擇與最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)主要包括 TMS320F281時鐘電路、復(fù)位電路、 JTAG 口等。圖中參考端電容的作用是對電源電壓的濾波，抵抗來自電源的噪聲干擾。該比較器具有輸出鎖存功能，在此設(shè) 16 計(jì)中不使用該功能，將其 LATCH ENABLE 引腳 5 接為低電平。選用高速施密特觸發(fā)器 SN74LVC1G14 對信號幅值進(jìn)行限幅和 進(jìn)一步整形，對該觸發(fā)器電源接數(shù)字 ，其正向門檻電壓 VT+為 ，反向門檻電壓為 1V左右，在信號正向變化時，當(dāng)信號大于 觸發(fā)器輸出 ，當(dāng)信號反向變化時觸發(fā)器輸出 0V低電平。 F1 M235 圖 整形電路原理圖 如圖 所示，選擇 TI 公司推出的高性能比較器 TL3016ID 作為整形電路的主要器件，該比較器為一款支持 +5V和 5V雙電源供電的高速比較器，當(dāng)輸入端 + 的輸入電壓高于參考端 – 的電壓時，其輸出為 ,當(dāng)輸入端電壓低于參考電壓時，其輸出為 500600mV電平。 15 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件部分由以下四部分組成：整形電路、 DSP 選擇與最小系統(tǒng)、通訊模塊和電源管理模塊，下面分別介紹。 本設(shè)計(jì)測脈寬采用的內(nèi)部時鐘頻率為 150/2MHz，周期為 1/75μs ，在要求的脈寬范圍（ 100μs 至 10ms）內(nèi)，精度在 100μs 時最低，此時為 4(1 1 0 0 * 7 5 ) 1 .3 3e ?? ? ?。 （ 2）在中頻段采用等精度測量，被測信號周期長度為 4*( 1)N? 個周期，每 ( 1)N?個被測信 號周期長度中就對應(yīng)著 50000 個以上內(nèi)部定時器脈沖數(shù)， 因此理論上被測信號的頻率測量誤差應(yīng)小于 61 [ 4 * ( 1 ) ] ( 1 ) * 500 00 ( 1 200 000 ) 5N N e ?? ? ? ? ? ? ?。 1ppm。 理論誤差分析 本設(shè)計(jì)結(jié)果評測過程中采用 Tektronix AFG3101 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的發(fā)出的信號作為被測信號。 (4)系統(tǒng)校正 在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)仿真調(diào)試結(jié)果與數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率相比，均有一個比較固定的系統(tǒng)誤差。本設(shè)計(jì)中由于硬件上的干擾以及現(xiàn)場干擾，在高頻時會出現(xiàn)測出的數(shù)據(jù)偏差比較大的值，因此采用“濾波”方法：也即把測得的高頻數(shù)值存放在一個長度為 9 的數(shù)組中，然后進(jìn)行冒泡排序，取排序在中間的那個值作為最終的值。本設(shè)計(jì)中測頻率、脈寬分別 用一個數(shù)組存放 7 次測得的頻率值、脈寬值。 在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率變化需重新初始化以及頻率、周期計(jì)算結(jié)束時，都要把定時器 T2 的溢出次數(shù)清零，避免出錯。 另外，在重新復(fù)位計(jì)算時，為了加快系統(tǒng)響 應(yīng)，本設(shè)計(jì)采取以下處理： (a)當(dāng)信號從高頻變低頻時，可以把定時器 T2 的計(jì)數(shù)器值改為 65525，這樣只要經(jīng)過 4 個內(nèi)部時鐘周期就可以重載周期匹配值了，大大加快了系統(tǒng)響應(yīng)時間。這樣處理對信號由高頻變低頻效果很好，節(jié)省了大量時間。比如頻率從高頻段變?yōu)榈皖l段時，由于高頻均采用 65530 個被測信號周期長度為定時器 T1 的定時周期，定時器T2 內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)時鐘采用 75MHz，所以一個周期中定時器 T2 的最大溢出次數(shù)發(fā)生在 Hz 處，此時溢出次數(shù)為 75 * 655 30 655 36 767 953 .12 5 97. 6M ?，為了確保信號頻率的確是由高變低，現(xiàn)取 T2 在該點(diǎn)溢出次數(shù)為 98 次。 (b)當(dāng)被測信號突然從中頻段變?yōu)楦哳l段時，由于中頻段采用等精度測量，定時器 T1 的周期長度小于60003 個被測信號的周期長度，對于高頻段的頻率而言，精度肯定不夠，所以對于此種情況，采取的對策也是把定時器 T1，定時器 T2 的寄存器配置復(fù)位為系統(tǒng)初始化時的狀態(tài)。 13 (2)頻率突變時的實(shí)時性處理 (a)測頻率、周期時，當(dāng)頻率突然由高頻變低頻時，定時器要響應(yīng)好長時間才能得出結(jié)果，不利于實(shí)時測量。 (c)當(dāng)被測信號頻率大于 767953Hz時，重新設(shè)定時器 T1 的 T1PR為 65529（實(shí)際為 65530個被測信號周期長度），設(shè)置內(nèi)部時鐘頻率為 75MHz，但此時已經(jīng)不再是等精度測量了，頻率越高精度會越低。 由于一個被測信號周期中標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)為 4Ny 個，所以此時對應(yīng)的被測信號頻率 150000000 64 * 4fx N y? ，當(dāng)200 000 163 83Ny ? 時， ? Hz。選擇定時器 T1 的周期長度為 4 個被測信號周期長度的 整數(shù)倍，設(shè)變量 N 為一次測量中被測信號周期個數(shù)，即為 202000N Ny? ，若 1a N a? ? ? （ a 為整數(shù)） , 則取1Na??，然后設(shè)置定時器 T1 的周期寄存器的值 T1PR 為 4* 3N? （實(shí)際上為4* 4N? 個被測信號周期長度的定時周期），由于周期值最大不能超過 65535，所以由 4 * 3 65 53 5N ?? ，可以得到 N 的最大值不能超過 16383。具體算法如下： (a)若 202000Ny? ，則說明被測信號頻率 150 64 500 00 75fx M Hz Hz??，為了增加響應(yīng)快速性，可以直接計(jì)算頻率。對于固定個數(shù)的被測信號周期時間內(nèi)，頻率越低標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖個數(shù)越多，故把被測信號分為高頻段，中頻段以及低頻段。這樣通過很短的時間就可以計(jì)算出被測頻率的值。為了達(dá)到更高的精度，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，采用了以下處理： (1)采用分段處理方法 本設(shè)計(jì)在進(jìn)行頻率、周期測量時，首先采用了分段處理的方法。 算法及數(shù)據(jù)處理 算法分 析 設(shè)測的頻率為 fx，被測頻率真實(shí)值為 fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為 f0，在一個門閘時間內(nèi)，被測信號個數(shù)為 Nx，標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖個數(shù)為 Ny。則進(jìn)行以下處理：讀取門閘時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 脈沖的個數(shù)，若個數(shù)小于 20萬個，則表明此時測量誤差大于二十萬分之一 (5e6)，誤差超出希望的范圍，然后，由高頻標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個數(shù)計(jì)算出需要將定時器 T1 每周期內(nèi)的被測信號個數(shù)修改為多少，從而從下一次測量開始每個門閘時間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個數(shù)就保證大于 20 萬個，從而實(shí)現(xiàn)了等精度測量。 總的來說，有以下兩點(diǎn)不同： 11 （ 1）從測量方法上：傳統(tǒng)方法是由定門閘信號控制被測信號個數(shù)，從而產(chǎn)生實(shí)際門閘信號，再去讀取高頻標(biāo)準(zhǔn)信號的個數(shù)。然后，再在該門閘時間內(nèi)讀取高頻填充脈沖的個數(shù) ,有 Ny n? ，從而得出高精度的被測信號頻率。假設(shè)現(xiàn)在希望一個門閘時間內(nèi)高頻填充脈沖的總數(shù)不小于 n,當(dāng) Ny n? 時，就增大定時器 T1的定時周期，即增大 T1PR 的值。定時器 T2時鐘輸入選擇內(nèi)部CPU 時鐘，用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖。兩個相鄰的比較匹配產(chǎn)生的 PWM 波的上升沿分別作為門閘信號的開啟和關(guān)閉，故每個門閘時間即一個定時器周期。但實(shí)際的門閘時間并不固定，與被測信號的頻率有關(guān)。測得信號的脈沖寬度，設(shè)其值為 1WXT ；再測信號的周期，記錄其值為 T ，則其占空比可由下式得到： = [ 1 ] 100 %T w x T ?占 空 比 與傳統(tǒng)的等精度方法的比較 傳統(tǒng)的等精度測量原理圖如圖 所示。假設(shè)在各電平突變時的 T3CNT 為 a a b b2，每次在 CAP5 捕獲到后讀取 CAPFIFO 堆棧中 T3CNT 的值，根據(jù)一個被測脈寬內(nèi)總的高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖的計(jì)數(shù)個數(shù) Ny2 可計(jì)算出被測信號脈寬的值。 D S PC A P 5C A P 4整 形 電 路被 測 信 號 C A P 4輸 入 端C A P 5輸 入 端高 頻 標(biāo) 準(zhǔn)脈 沖N y 2a 1a 2b 1b 2 圖 測脈寬原理圖 在 EVB 中測脈寬，定時器 T3 時鐘輸入選擇一個高頻的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，測周期和測脈寬同時進(jìn)行。 現(xiàn)假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖頻率為 f0，初始化時設(shè)定 T1PR 和 T1CMPR 的值，并設(shè)定捕獲單元 CAP1 為上升沿捕獲，當(dāng) T1計(jì)數(shù)器的值到達(dá) T1CMPR 的值時，定時器 T1 的比較輸出端 T1PWM 會產(chǎn)生一個上升沿突變，被捕獲單元 CAP1 捕獲，讀取此時定時器 T2 的計(jì)數(shù)值 T2CNT，其值保存在 CAP1FIFO1 中，假設(shè)為 x1；同理當(dāng) T1 計(jì)數(shù)器在下一次比較匹配的時候， CAP1 會再次捕獲到一個上升沿突變，讀取此時的 T2CNT，其值保存在 CAP1FIFO2 中 ,假設(shè)為 x2，假設(shè)定時器 T2 在該門閘時間內(nèi)的溢出次數(shù)為 x3，那么被測信號頻率可由下式得出： ( 1 1 ) ( 2 1 655 36 3 ) 0T PR fx x x x f? ? ? ? ? 0 ( T 1P R+1) ( x2 x1+ 655 36 x3)fx f? ? ? 周期測量與頻率測量的基本原理完全相同，在測出信號頻率后，根據(jù)公式1Tf? 即可得出被測信號的周期。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)小于某值時，就相應(yīng)地增加該門閘時間內(nèi)被測脈沖的個數(shù)， 8 即增加定時器 T1一個定時周期內(nèi)被測信 號的個數(shù)（ T1PR+1），保證定時器 T1 定時周期固定。通過讀取兩級堆棧 CAP1FIFO內(nèi)的值，即可獲得該門閘時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個數(shù)，然后求出被測信號頻率。 F2812 片上 EVA 中通用定時器 T1 在發(fā)生比較匹配事件時，其比較輸出引腳T1CMP 輸出信號會自動改變電平狀態(tài)，產(chǎn)生 PWM 波 。原理圖如圖 所示。在對被測信號頻率和周期的測量中，本設(shè)計(jì)綜合了傳統(tǒng)的多周期測量和等精度測量方法，將頻率分為三段，在高頻和低頻段采用多周期測量；在中頻段，采用獨(dú)特的等精度測量方法?？傮w框圖如圖 所示。測頻率、周期使用定時器 定時器 2 和捕獲單元 1，測脈寬時使用了定時器 3 和捕獲單元 4 和捕獲單元 5。信號處理部分以 TMS320F2812 DSP 芯片作為控制和測量的核心；信號的調(diào)理整形部分主要由快速差分比較器 TL3016 完成，為防止正弦信號在過零點(diǎn)的毛刺造成比較器的誤動作， TL3016 接入了正反饋。 表 1 各項(xiàng)指標(biāo)對照表 輸入信號 基本要求指標(biāo) 發(fā)揮部分指標(biāo) 本設(shè)計(jì)達(dá)到指標(biāo) 方波 幅值 ～ 3V ～ 3V 60mV～ 5V 頻率 /周期 100Hz～ 1MHz 10Hz～ 3MHz 1Hz～ 頻率測量誤差 ≤ 1% ≤ % 2e6 周期測量誤差 ≤ 1% ≤ % 2e6 正弦波 幅值 ～ 3V ～ 3V 60mV～ 5V 頻率 /周期 100Hz～ 1MHz 10Hz～ 3MHz 1Hz～ 頻率測量誤差 ≤ 1%