基于DSP的高精度數(shù)字頻率計的設計

引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，頻率及時間的測量以及它們的控制技術(shù)在科學技術(shù)各領域，特別是在計量學、電子技術(shù)、信息科學、通信、天文和電子儀器等領域占有越來越重要的地位。從國際發(fā)展的趨勢上看，頻率標準的準確度和穩(wěn)定度提高得非?？?，幾乎是每隔6至8年就提高一個數(shù)量級。本系統(tǒng)采用DSP的數(shù)值控制方式是目前設計控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，這種基于DSP的控制系統(tǒng)能夠用軟件實現(xiàn)復雜的算法，而不需要復雜的模擬電路，具有軟硬件模塊化、測量功能可重組/可選擇的特點。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數(shù)字信號控制器TMS320F2812芯片，其豐富的片內(nèi)資源可以大大簡化硬件電路的設計，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，其高效的32位CPU內(nèi)核、支持浮點運算等特點，為提高系統(tǒng)的測量精度奠定了基礎。該系統(tǒng)具有精度高、實時性好、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點。

系統(tǒng)總體設計方案

本嵌入式數(shù)字頻率計的硬件電路主要包含4個部分：4通道整形電路模塊，TMS320F2812數(shù)字信號處理模塊，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：完成模擬信號整形、衰減功能 。

TMS320F2812數(shù)字信號處理模塊：完成軟件濾波，多周期同步測頻算法等。
單色液晶屏模塊：實時顯示瞬時捕獲的頻率值，同時配合鍵盤進行儀表參數(shù)設置。
4*2矩陣鍵盤模塊：系統(tǒng)命令的形成與其它參數(shù)的輸入設置。

信號處理過程：在鍵盤控制下，TMS320F2812根據(jù)4*2鍵盤發(fā)出的命令實時地將要轉(zhuǎn)換的模擬信號經(jīng)過電壓比較器形成的方波信號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)過多周期同步測量算法處理后直接送到單色液晶屏顯示，當再次進行通道選擇時，可通過鍵盤進行實時調(diào)整。

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

通道整形電路模塊

利用TMS320F2812的捕獲單元設計出硬件測頻電路。由于CAP模塊只能捕獲0V~3V的外界模擬方波信號，模擬信道必須將要轉(zhuǎn)換的模擬信號轉(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、價格低廉、具有低噪聲和低失真特性的高性能8引腳雙運算放大器。其內(nèi)部電路輸入級是NPN差分對，與之對應的后面驅(qū)動是PNP對，輸出緩沖級是工作在AB類的放大的射頻跟隨器。當閉環(huán)增益提高時，AD8022可驅(qū)動更大的容性負載，輸出不會產(chǎn)生震蕩。

本系統(tǒng)采用開環(huán)方式實現(xiàn)電壓比較器，可以將-15V~+15V的外界模擬信號，經(jīng)過電壓求和電路輸出0V~3V的模擬信號（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是一種圖形點陣液晶顯示器，主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動控制器和列驅(qū)動控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫，編程模式簡潔方便。

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。

鍵盤模塊
由于鍵盤是低速外設，與TMS320F2812連接時存在速度匹配問題。為此，設計時設置相應的全局變量實現(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）與系統(tǒng)鍵（4個）。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（通道選擇的重新設定）、UP鍵和DOWN鍵（選擇捕獲單元硬件連接方式）。

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