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1、1 引言 单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点，在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度1。 51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和皮鞭接受及应用，51系列单片机还会在继后很唱一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场，因此，作为新世纪的大学生，在信息产业高速发展的今天，掌握单片机的基本结构、原理和使用时非常重要的。随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发
2、展。推动该潮流迅猛发展的引擎上日趋进步和完善的设计技术。目前数字频率计的设计可以直接面向用户要求，根据系统的行为和功能要求，自上至下的逐层挖不出个办法相应的描述、综合、优化、仿真与验证，知道生成期间。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外。其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动的完成，也就是说做到了电子设计自动化（EDA）。这样做可以大大地缩短系统的设计周期，以适应当今品种多，批量下的电子市场的需求，提高产品的竞争能力。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应
3、用，以EDA工具作为开发手段，运用汇编语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。本文用汇编语言在CPLD器件上实现一种8 b数字频率计测频系统，能够用十进制数码显示被测信号的频率，不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、功耗低等特点。2 系统概述2.1 数字频率计的概述数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量
4、迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计3。2.2 设计思路及原理数字频率计是用于测量信号(方波、正弦波或其它脉冲信号)的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的
5、信号4。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=NT，其中，f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数。 T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000Hz。晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲(1mS，10mS，0.1S，1S等)，时基信号的选择由开关k控制.用单稳态触发器产生指令和清零信号，对置零信号而言，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有
6、的触发器量0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。用4片十进制计数器74ls160完成对整形后的待测信号的计数，通过74ls273寄存，便于数码管显示，用74ls48和其驱动的共阴极的半导体数码管作为主要显示电路。另外，信号的放大部分还可以用三极管放大电路来完成，而整形部分可用施密特触发器来完成，对施密特触发器只涉及到一个外接小电容，典型值为0.01uF。为简单起见，可用555来做。控制门用一个与门即可实现。两个单稳态触发器完全一样，均可用555来做。计数器用74LS160来完成，免去了接十进制计数器的麻烦（若用74LS161）。锁存电路用四路锁存
7、器74LS75来完成。其输出可直接接到数电箱上的74LS247译码电路，进而显示结果。2.3 系统组成待测信号 频率计由单片机89C51、信号予处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软件所组成，其中信号予处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。系统硬件框图如图1所示。信号予处理电路中的放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号；分频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现单片机频率测量和周期测量使用同一的输入信号5。分频电路波形整形波形变换放大器单片机串行通信
8、电路单片机图 1 系统硬件框图系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数运算模块、浮点数到BCD码转换模块。系统软件框图如图2所示。量程自动转换模块频率测量模块初始化模块周期测量模块定时器中断服务模块显示模块浮点数格式化模块浮点数算术运算模块浮点数到BCD码转换模块图 2系统软件框图2.4 处理方法 本频率计的设计以AT89C51单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。单片机AT89C51内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由变成来实现定时、计数和产生计数
9、溢出中断要求的功能。在构成为定时器时，每隔几期周期加1（使用12MHz时钟时，每1us加1）这样以及其周期为基准可以用来测量时间间隔6。在构成计数器时，在相应的外部引脚发生从1到0的的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每隔及其周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个极其周期（24个震荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1/24（使用12MHz时钟时，最大计数速率为500KHz）。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制，当TR置1，定时/计数器开始计数；当TR清0，停止计数。 设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的需求。例如当要
10、求频率测量结果为3位有效数字，这时如果待测信号的频率为1Hz，则计数闸门宽度必须大于1000s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法。当待测信号的频率大于100Hz时。定时/计数器构成为计数器，以及其周期为基准，由软件产生计数闸门，这时要满足频率测量结果为3位有效数字，则计数闸门宽度大于1s即可。当待测信号的频率小于100Hz时，定时/计数器构成为定时器，由频率计的予处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待测信号的周期。用方波作技术闸门，当待测信号的频率等于100Hz，使用12MHz时钟时的最小计数值为10000，完全满足测量精度的要求7。2.5 频率计的量程自动
11、切换 在使用计数方法实现频率测量时，这时外部的待测信号为定时/计数器的计数源，利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为：首先定时/计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时/计数器；然后运行软件延时程序。同时定时/计数器对外部的待测信号进行计数，延时结束时TR清0，停止计数；最后从计数寄存器读出测量数据，完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。 在使用定时方法实现频率测量时，这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加定时/计数器的输入脚。这时频率计的工作过程为：首先定时/计数器的计数寄存器清0，然后检查方波高电平 是否加至定时/计数器
12、的输入脚；当判定高电平加至定时/计数器的输入脚，运行控制为TR置1，启动定时/计数器对单片机的及其周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR置0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。 测量结果的显示格式采用科学计数法，即有效数字乘以10为底的幂。这里设计的频率计用5位数码管显示测量结果：前3位为测量结果的有效数字；第4位为指数的符号；第5位为指数的值。采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度，由保证了测量结果的显示范围（0.100Hz9.99MHz）8。 量程自动转换的过程由频率计测量量程的高端开始。由于只显示3位有效数字，在
13、测量量程的高端计数闸门不需要太宽，例如在10.0KHz-99.9KHz频率范围，计数闸门宽度为10mS即可。频率计每个工作循环开始时使用计数方法实现频率测量，并是计数闸门宽度为最窄，完成测量后判断测量结果是否具有3位有效数字，如果成立，将结果送去显示，本工作循环结束；否则将计数闸门宽度扩大10倍，继续进行测量判断，直到计数闸门宽度达到1s，这时对应的频率测量范围为100Hz-999Hz。如果测量结果仍不具有3位有效数字，频率计则使用定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期，这种方法只设一种量程，测量结果通过浮点运算模块将信号周期转换成对应的频率值，再将结果送去显示，这样无论采用何种
14、方式，只要完成一次测量即可，频率计自动开始下一个测量循环。因此该频率计具有连续测量的功能，同时实现量程的自动转换9。3 系统硬件设计3.1 信号予处理电路频率计信号予处理电路如图3 所示,它由四级电路构成。第一级为零偏置放大器,当输入信号为零或者为负电压时,三极管截止,输出高电平;当输入信号为正电压时,三极管导通,输出电压随着输入电压的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲,这使得频率计既可以测量任意方波信号的频率,也可以测量正弦波信号的频率。放大器的放大能力实现了对小信号的测量,本电路可以测量幅度0. 5V 的正弦波或脉冲波待测信号10。三极管应采用开关三极管以保证
15、放大器具有良好的高频响应。第二级采用带施密特触发器的反相器7414 ,它用于把放大器生成的单向脉冲变换成与TTLCMOS 电平相兼容的方波。第三级采用十进制同步计数器74160 ,第级输出的方波加到74160 的CL K,当从74160 的TC 输出可实现10分频(多个74160 的级连可以进一步扩展测频范围) 。第四级同样采用十进制同步计数器74160 ,第三级输出的方波加到它的CL K,从它的Q0 输出即可实现2 分频,且其输出为对称方波,方波宽度等于待测信号的周期,从而为测量信号周期提供基础。图3 信号予处理电路3. 2 AT89C51单片机及其引脚说明频率测量电路选用89C51 作为频
16、率计的信号处理核心。89C51 包含2 个16 位定时/ 计数器、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入/ 输出口和4 K8 位片内FLASH 程序存储器。16 位定时/ 计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。同步移位寄存器方式的串行输入/ 输出口用于把测量结果送到显示电路。4 K 8 位片内FLASH 程序存储器用于放置系统软件。89C51 与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如: 89C52(8 K8 位) 或89C55 (32 K8 位) ,为系统软件升级打下坚实的物质基础。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable
