FPGA與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x

　　3.2 系統(tǒng)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)相位儀，如其晶振為24 MHz，單片機(jī)C/T的計(jì)數(shù)誤差為1個(gè)機(jī)器周期為±0.5 μs，則絕對(duì)誤差為360°x0.5 μs/50μs=3.6°，所以，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很高時(shí)很難滿(mǎn)足測(cè)量要求。

　　本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)與FPGA相結(jié)合的方案，FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將所測(cè)信號(hào)的頻率和相位差所對(duì)應(yīng)時(shí)間差轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳給單片機(jī);單片機(jī)從FPGA獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理，將被測(cè)信號(hào)的頻率和相位差在LCD上顯示。

　系統(tǒng)電原理圖如圖3所示。MCU采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)ATmega128，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，有32個(gè)8位通用工作寄存器及外設(shè)控制寄存器，克服了一般單片機(jī)單一累加器數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的瓶頸。有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 KB的EEPROM以及4 KB的內(nèi)部SRAM，遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試，可通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。

　　FPGA采用Altem Cyclone系列的EP1C3T100，配置芯片為EPCS1，VHDL功能程序經(jīng)過(guò)全編譯會(huì)生成.sof和.pof文件，配置的下載為Byte-Blaster II，[Mode]項(xiàng)選擇“JTAG”為把.sof文件配置到FPGA芯片EP1C3T100中，用于調(diào)試;[Mode]項(xiàng)選擇“Active Serial Programming”為把.pof文件下載到配置芯片EPCS1中，系統(tǒng)重新上電時(shí)正常運(yùn)行。

　　LCD采用HTM12864，為128x64串行數(shù)據(jù)傳送液晶顯示器，背光燈通過(guò)光耦受到控制。

　　ATmega128和EP1C3T100設(shè)計(jì)各自的JTAG接口。圖3繪出了ATmega128和EP1C3T100的接口D0～D19、EN、Dsel、LCN;ATmega128與HTM12864的接口RET、D/C、SCLK、DATA;EP1C3T100的輸入信號(hào)FAin和FBin，66 MHz外部有源晶振，配置芯片EPCS1。4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　4.1 FPGA數(shù)據(jù)采集VHDL程序設(shè)計(jì)

　　FPGA數(shù)據(jù)采集的VHDL程序設(shè)計(jì)是在Altera QuartuslI開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上完成的。程序設(shè)計(jì)采用自頂向下(up-to-down)的設(shè)計(jì)方法。FPGA系統(tǒng)的模塊構(gòu)成如圖4所示。采樣信號(hào)發(fā)生模塊完成時(shí)鐘信號(hào)源的分頻工作，得到CLK=20 MHz;待測(cè)信號(hào)采樣模塊在控制信號(hào)產(chǎn)生模塊的周期閘門(mén)信號(hào)Tk和時(shí)間清零信號(hào)Tcr的作用下，輸出待測(cè)信號(hào)周期和相位差數(shù)據(jù);測(cè)量數(shù)據(jù)提取模塊在鑒相信號(hào)JXc和計(jì)數(shù)提取信號(hào)Lad的作用下，并在輸出使能信號(hào)EN和數(shù)據(jù)類(lèi)型信號(hào)Dsel控制下分別輸出周期和相位差數(shù)據(jù)，交MCU運(yùn)算處理顯示。