【正文】 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。系統(tǒng)將單片機(jī) STC89C51 的控制靈活性及FPGA 芯片的現(xiàn)場(chǎng)可編程性相結(jié)合，不但大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，而且使本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可靠性高，測(cè)頻范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。在Ouartus II 平臺(tái)上，用 VHDL 語(yǔ)言編程完成 FPGA 的軟件設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、仿真和下載。此外，該系統(tǒng) 還實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期、脈寬、占空比等功能。 本課題設(shè)計(jì)的等精度數(shù)字頻率計(jì)是采用當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域流行的 EDA 技術(shù)，以FPGA 為核心，配合 STC89C51 單片機(jī)。 所以頻率測(cè)量方法的研究越來(lái)越受到重視。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 頻率是常用的物理量 ， 工程中 很多物理量的測(cè)量 ， 如時(shí)間測(cè)量 、 速度控制等 ， 都可轉(zhuǎn)化為頻率測(cè)量 。 此外 ， 還經(jīng)常遇到以頻率為參數(shù)的測(cè)量信號(hào) ， 例如流量 、 轉(zhuǎn)速等 。 基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的下降而降低 ， 在實(shí)用中有較大的局限性 , 而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測(cè)量精度 , 而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)試精度 。同時(shí)，采用等精度測(cè)頻原理，實(shí)現(xiàn)了。 設(shè)計(jì)中用一塊 FPGA 芯片 EP2C5Q208C8 完成各種時(shí)序邏輯控制、計(jì)數(shù)功能。用 STC89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控部件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的測(cè)試信號(hào)控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、鍵盤掃描和控制數(shù)碼管的顯示輸出。 關(guān)鍵詞 ：頻率計(jì)； EDA 技術(shù)； FPGA；單片機(jī) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract Frequency is monly used physical quantity, lots of measurement of physical quantity in the project, such as the measurement of time, the control of velocity, can be changed into the measurement of frequency. Besides, the measured signal with a frequency parameter, such as the rate of flow, the rotational speed, is often encountered. So the research of the method of measuring frequency has bee more and more significant in the real application. According to the principles of traditional frequency measurement , the measurement accuracy of frequency meter will decrease with the signal frequency decrease .but it has more limitations in the real application, equal precision frequency meter not only has high accuracy, but also maintains constant test accuracy in the whole frequency region . With the help of FPGA and cooperating with the single chip puter STC89C51,The digital frequency design in our program has realized the precision measurement of signal frequency by adopting the current EDA technique prevailing in the electronic designs and using the principle of multiperiod synchrony frequency measurement. Besides, the system can plete the cycle, pulse width, duty cycle measurement function . In this design, using an FPGA chip EP2C5Q208C8 pletes a variety of temporal logic control and counting function. In the platform of Ouartus II, using VHDL language pletes FPGA software design, piler, debugging, simulation, and download. By use of the STC89C51 single chip puter as the main controlling parts, the control of the tested signal, the scan of keyboard and the output display of LED can be realized. The system bines the control flexibility of STC89C51 with programmable performance of FPGA, consequently, not only can it shorten the period of the development and research, but also it has the advantages of pact structure, little volume, high reliability, wide scope and high precision. Keywords： Frequency meter， EDA technique， FPGA, Single chip puter 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前發(fā)達(dá)國(guó)家在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中 EDA 工具的利用率已達(dá) 很高 ，而大部分的 FPGA 已采用 HDL（ Hardware Description Language—— 硬件描述語(yǔ)言）設(shè)計(jì)。 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件， EDA 技術(shù)， SOPC 等新概念和新技術(shù)層出不窮，新技術(shù)的應(yīng)用迅速滲透到電子、通信、信息、汽車制造等領(lǐng)域，有力的推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高。其中，歐美頻率計(jì)廠家所占有的市場(chǎng)份額最大。 Pendulum Instruments 公司是一家瑞典公司，總部位于瑞典首都斯德哥爾摩。 Pendulum Instruments 公司常規(guī)頻率計(jì)型號(hào)主要有： CNT9 CNT90、CNT8 CNT85。以及微波頻率計(jì) CNT90XL（頻率測(cè)量范圍高達(dá) 60G）。 Agilent 科技公司成立于 1939 年，在電子測(cè)量領(lǐng)域也有著 70 多年的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)歷。同時(shí)， Agilent 科技公司還推出微波頻率計(jì)： 53150A， 53151A， 53152A（頻率測(cè)量范圍最高可達(dá) 46G）。其中主要應(yīng)用到 EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 )技術(shù)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于模擬與數(shù)字電路系統(tǒng)等許多領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)利用 FPGA 進(jìn)行測(cè)頻計(jì)數(shù)，單片機(jī)實(shí)施控制 ， 實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。等精度的測(cè)量方法不但具有較高的測(cè)量精度，而且在整個(gè)測(cè)頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測(cè)試精度。基于 EDA 技術(shù)正在承擔(dān)起越來(lái)越多的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。該頻率計(jì)依照等精度的測(cè)量原理，克服了傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理隨被測(cè)信號(hào)頻率下降而降低的缺點(diǎn)。該頻率計(jì)利用 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、周期、脈寬、占空比的測(cè)量計(jì)數(shù)，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)制轉(zhuǎn)換等功能。 （ 2）詳細(xì)地論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，主要包括等精度頻率計(jì)的測(cè)頻原理、單片機(jī)和 FPGA 應(yīng)用平臺(tái)的介紹。 （ 4）用 C 語(yǔ)言完成了系統(tǒng)中單片機(jī)控制的的軟件設(shè)計(jì)。 本文分 5 章介紹了基于 FPGA 的等精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟，性能分析等。測(cè)量頻率的方法有多種，其中等精度測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于現(xiàn)測(cè)量、過(guò)程自 動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。 方案一：采用 間接測(cè)頻法，即 周期法。1 個(gè)脈沖誤差，并且測(cè)試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值有關(guān)，為了保證測(cè)試精度，測(cè)周期法僅適用于低頻信號(hào)的測(cè)量。直接測(cè)頻法就是在確定的閘門時(shí)間內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)。1 個(gè)脈沖誤差。由此可知直接測(cè)頻法的測(cè)量準(zhǔn)確度與信號(hào)的頻率有關(guān)：當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度也較高，反之測(cè)量準(zhǔn)確度也較低。 方案三：采用等精度頻率測(cè)量法，測(cè)量精度保持恒定，不隨所測(cè)信號(hào)的變化而變化。單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，測(cè)頻速度較慢，無(wú)法滿足高速、高精度的測(cè)頻要求；而采用高集成度、高速的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 FPGA 為實(shí)現(xiàn)高速、高精度的測(cè)頻提供了保證。 等精度測(cè)頻原理 等精度測(cè)頻方法是在直接測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1 個(gè)字誤差，并且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)試頻段的等精度測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，有兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號(hào) (下降沿 )到時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。 圖 等精度測(cè)頻原理波形圖 等精度測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)方法可簡(jiǎn)化為圖 所示。當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)的上升沿通過(guò) D觸發(fā)器的 Q 端同時(shí)啟動(dòng) CNT1 和 CNT2。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平的時(shí)候， 隨 后而來(lái)的被測(cè)信號(hào)的上升沿將使兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉，所測(cè)得的頻率為 (FS/N S)*NX。在預(yù)置門時(shí)間和常規(guī)測(cè)頻閘門時(shí)間相同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下，等精度測(cè)量法的測(cè)量精度不變。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為 fs，則被測(cè)信號(hào)的頻率如式 (21): fx=(Nx/Ns) 在測(cè)量中，由于 fx 計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的，在閘門時(shí)間 t內(nèi)對(duì) fx 的計(jì)數(shù) Nx無(wú)誤差 (t=NxTx)；對(duì) fs 的計(jì)數(shù) Ns 最多相差一個(gè)數(shù)的誤差，即 |ΔNs|≤1,其測(cè)量頻率如式 (23): fxe=[Nx/(Ns+ΔNs)]fs) (24) 由上式可以看出，測(cè)量頻率的相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的大小無(wú)關(guān)，僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率有關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試頻段的等精度測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)頻率可由穩(wěn)定度好、精度高的高頻率晶體振蕩器產(chǎn)生，在保證測(cè)量精度不變的前提下，提高標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，可使閘門時(shí)間縮短，即提高測(cè)試速度 [2]。中斷源的配置有所不同，其中 52 子系列在存儲(chǔ)器容量、計(jì)數(shù)器和中斷源數(shù)量都高于 51 子系列。 MCS51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含了作為微型計(jì)算機(jī)必需的基本功能部件，如 CPU、RAM、 ROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和可編程并行 I/O 口、可編程串行口等。其基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 （ 1）電源及晶振引腳（ 4 只） VCC、 GND、 XTALL XTAL2。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 80c51 單片機(jī)引腳圖 Keil μ vision 3 軟件 概述 Keil 是德國(guó) Keil Software 公司出品的單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)軟件，該軟件支持 51 單片機(jī)的所有變種。 Keil單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)軟件可以運(yùn)行在 Windows98/NT/20xx 及 XP 等操作系統(tǒng)下。其軟件開(kāi)發(fā)流程為： （ 1）創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置； （