基于AVR單片機(jī)與FPGA的低頻數(shù)字式相位測量儀

FPGA在單片機(jī)輸出使能信號EN和數(shù)據(jù)類型信號Dsel控制下，輸出所測信號的頻率和相位差所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)仿真波形如圖5所示。VHDL程序經(jīng)過編譯調(diào)試生成．pof文件下載到配置芯片EPCS1中實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。

4．2 ATmega128運(yùn)算控制程序設(shè)計(jì)
AVR單片機(jī)ATmega128從FPGA分別讀取頻率和相位差的20位數(shù)字量，由于FPGA在20 MHz數(shù)據(jù)采集信號作用下對待測信號周期和兩同頻信號的相位差所對應(yīng)的時(shí)間差計(jì)數(shù)，因此20位數(shù)字量的單位是0．05μs，單片機(jī)對這些數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，可以得到待測信號的頻率和相位差。
單片機(jī)運(yùn)算控制程序設(shè)計(jì)思路：單片機(jī)(ATmega128)通過控制信號EN和Dsel從FPGA(EP1C3T100)讀取待測信號的周期和兩待測信號相位差所對應(yīng)的時(shí)間差，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、轉(zhuǎn)換，送液晶顯示器顯示，顯示待測信號的頻率、相位差以及有關(guān)信息。主程序流程圖如圖6所示。源程序由主程序及若干子程序組成，主程序是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行程序。

1)單片機(jī)從FPGA讀數(shù)據(jù)
根據(jù)MCU與FPGA的20位數(shù)字量的接口，從單片機(jī)的PA、PB和PC(低4位)讀取數(shù)據(jù)，組合成20位的數(shù)據(jù)，控制線EN和Dsel控制FPGA釋放數(shù)據(jù)。當(dāng)Dad=1時(shí)，F(xiàn)PGA向單片機(jī)傳送待測信號的相位差數(shù)據(jù)；當(dāng)Dsel=0時(shí)，F(xiàn)PGA向單片機(jī)傳送待測信號的周期數(shù)據(jù)；當(dāng)EN=1時(shí)，F(xiàn)PGA向單片機(jī)釋放數(shù)據(jù)，當(dāng)EN=0時(shí)，F(xiàn)PGA禁止向單片機(jī)釋放數(shù)據(jù)。
2)頻率和相位差數(shù)據(jù)的運(yùn)算
為了測量達(dá)到要求的精度，在運(yùn)算時(shí)不能丟失數(shù)據(jù)，所以采用擴(kuò)大倍數(shù)定點(diǎn)取數(shù)的方法，保證數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確。依據(jù)如下方法進(jìn)行計(jì)算：信號頻率F=106／T，計(jì)算結(jié)果精確到1 Hz；相位差△θ=△tx360°x10／T，計(jì)算結(jié)果精確到0．1°。
3)LCD顯示器顯示頻率、相位差等相關(guān)信息
本設(shè)計(jì)采用HTM12864(128x64)的LCD液晶顯示器，控制器為S6B0724，與單片機(jī)數(shù)據(jù)與控制接口是：CS、RET、D／C、SCLK、DATA，背光燈根據(jù)按鍵動作控制，用按鍵來切換顯來示信息。

5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)采用MCU和FPGA相結(jié)合的方法，ATmega128單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和運(yùn)算控制功能，而FPGA集成度高、高頻率的數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)勁，它們發(fā)揮各自的優(yōu)勢。均具備JTAG接口在線調(diào)試和編程功能，用此方法設(shè)計(jì)的數(shù)字式相位測量儀具有較高的精度，穩(wěn)定可靠。本儀器測量正弦信號的頻率及兩個(gè)同頻正弦信號的相位差，較好地滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。