基于DSP的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻率及時(shí)間的測(cè)量以及它們的控制技術(shù)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域，特別是在計(jì)量學(xué)、電子技術(shù)、信息科學(xué)、通信、天文和電子儀器等領(lǐng)域占有越來越重要的地位。從國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)上看，頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高得非?？欤瑤缀跏敲扛?至8年就提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。本系統(tǒng)采用DSP的數(shù)值控制方式是目前設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，這種基于DSP的控制系統(tǒng)能夠用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，而不需要復(fù)雜的模擬電路，具有軟硬件模塊化、測(cè)量功能可重組/可選擇的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2812芯片，其豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，其高效的32位CPU內(nèi)核、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等特點(diǎn)，為提高系統(tǒng)的測(cè)量精度奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本嵌入式數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路主要包含4個(gè)部分：4通道整形電路模塊，TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，單色液晶屏模塊(CM320*240)和4*2矩陣鍵盤模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

4通道整形電路模塊：完成模擬信號(hào)整形、衰減功能 。

TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊：完成軟件濾波，多周期同步測(cè)頻算法等。
單色液晶屏模塊：實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)捕獲的頻率值，同時(shí)配合鍵盤進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)置。
4*2矩陣鍵盤模塊：系統(tǒng)命令的形成與其它參數(shù)的輸入設(shè)置。

信號(hào)處理過程：在鍵盤控制下，TMS320F2812根據(jù)4*2鍵盤發(fā)出的命令實(shí)時(shí)地將要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)經(jīng)過電壓比較器形成的方波信號(hào)直接輸入捕獲單元的輸入引腳，再通過軟件濾波將捕獲到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多周期同步測(cè)量算法處理后直接送到單色液晶屏顯示，當(dāng)再次進(jìn)行通道選擇時(shí)，可通過鍵盤進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)在綜合考慮各種硬件條件下，設(shè)計(jì)出如圖2的系統(tǒng)硬件連接圖。

通道整形電路模塊

利用TMS320F2812的捕獲單元設(shè)計(jì)出硬件測(cè)頻電路。由于CAP模塊只能捕獲0V~3V的外界模擬方波信號(hào)，模擬信道必須將要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后才能輸入CAP模塊。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD8022作為前端模擬處理。

AD8022是一款性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、具有低噪聲和低失真特性的高性能8引腳雙運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電路輸入級(jí)是NPN差分對(duì)，與之對(duì)應(yīng)的后面驅(qū)動(dòng)是PNP對(duì)，輸出緩沖級(jí)是工作在AB類的放大的射頻跟隨器。當(dāng)閉環(huán)增益提高時(shí)，AD8022可驅(qū)動(dòng)更大的容性負(fù)載，輸出不會(huì)產(chǎn)生震蕩。

本系統(tǒng)采用開環(huán)方式實(shí)現(xiàn)電壓比較器，可以將-15V~+15V的外界模擬信號(hào)，經(jīng)過電壓求和電路輸出0V~3V的模擬信號(hào)（即圖3中的引腳3處），為抑制共模抑制比將其輸入到同相端，而在反相端輸入+1.5V的比較電平，這樣，在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。單通道整形電路模塊電路圖如圖3所示。

單色液晶屏模塊
CM320240是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)控制器和列驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫，編程模式簡(jiǎn)潔方便。

該液晶模塊的讀寫周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接控制方式。為節(jié)約硬件成本，該系統(tǒng)選用通用GPIO來控制液晶屏的讀寫信號(hào)。

鍵盤模塊
由于鍵盤是低速外設(shè)，與TMS320F2812連接時(shí)存在速度匹配問題。為此，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置相應(yīng)的全局變量實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的同步。

本系統(tǒng)將鍵盤分為二類：通道選擇鍵（3個(gè)）與系統(tǒng)鍵（4個(gè)）。通道選擇鍵主要完成系統(tǒng)單通道、雙通道、四通道模式的設(shè)定；系統(tǒng)鍵包括停止鍵（停止觀察顯示的頻率）、返回鍵（通道選擇的重新設(shè)定）、UP鍵和DOWN鍵（選擇捕獲單元硬件連接方式）。

軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：捕獲中斷測(cè)頻子程序、鍵盤定時(shí)中斷掃描子程序和LCD顯示處理子程序。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。