基于單片機(jī)高性價比頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 系統(tǒng)測量原理

測量方法采用多周期同步測量法，保證了測量精度。

多周期同步測量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測量原理不同，時鐘信號(f0)經(jīng)同步電路作用后與被測信號同步。主門 與主門 在時間T 內(nèi)被同時打開，于是計(jì)數(shù)器 和計(jì)數(shù)器 便分別對被測信號和時鐘信號的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì)。在T內(nèi)，事件計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為Na；時間計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為Nb。再由單片機(jī)運(yùn)算得出被測頻率為（Na/Nb）f。由于D觸發(fā)器的同步作用，計(jì)數(shù)器 所記錄的Na值已不存正負(fù)1誤差的影響。但由于時鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，計(jì)數(shù)器 所記錄的Nb值仍存在正負(fù)1誤差的影響，由于時鐘頻率很高，正負(fù)1誤差影響小，所以測量精度與被測信號頻率無關(guān)，且在全頻段的測量精度是均衡的。

圖1 系統(tǒng)測量原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，硬件電路采用了8051單片機(jī)、雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS393、緩存器74LS244、8155帶RAM和定時器/計(jì)數(shù)器的可編程并行接口芯片、16K程序存儲器擴(kuò)展芯片2716、十倍分頻器74s196、反向器74ls14、反向驅(qū)動器7406、7407等。所采用的芯片技術(shù)成熟，性能可靠，性價比較高。

系統(tǒng)硬件主要由四部分組成:通道部分、計(jì)數(shù)器部分、單片機(jī)控制和接口部分、顯示部分。

2.1通道部分

本頻率計(jì)的輸入通道由兩部分組成，第一部分就是常見的信號預(yù)處理電路，包括對被測信號的放大、整形、濾波等等。第一級由開關(guān)三極管構(gòu)成的零偏置放大器，三極管采用開關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級是由74LS14施密特觸發(fā)器構(gòu)成的電路。施密特觸發(fā)器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的單相脈沖信號轉(zhuǎn)換成與TTl/CMOS兼容的方波信號。另一方面其滯后帶寬可以有效抑制信號中的干擾。第三級是由74ls196構(gòu)成的分頻器電路。本機(jī)設(shè)計(jì)測頻范圍20HZ～100MHZ，當(dāng)被測頻率大于10 MHZ時，需經(jīng)分頻電路分頻后再送入計(jì)數(shù)器電路。第四級是由4N25構(gòu)成的光電隔離電路，用于把輸入的電信號轉(zhuǎn)化為光信號進(jìn)行傳輸，從而把測量電路與外界干擾隔開，能有效地保證測量精度。

第二部分是同步門電路，它的作用是保證被測信號和頻率基準(zhǔn)信號同時進(jìn)入測量電路。其構(gòu)成主要包括由與門組成的主門I和主門II，以及由D觸發(fā)器構(gòu)成的同步門控制電路，主門I控制被測信號fx的通過，主門II控制時鐘信號f的通過。

2.2計(jì)數(shù)器部分

計(jì)數(shù)器包括時間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器兩部分，它們是完全相同的計(jì)數(shù)電路。分別由前后兩級組成，前級電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)前，先由P1.3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號，計(jì)數(shù)后通過74LS244 緩沖器將測量結(jié)果讀入內(nèi)存。這樣設(shè)計(jì)既充分利用了硬件資源，又大大提高了測量頻率范圍。

圖2 計(jì)數(shù)器電路圖

2.3 單片機(jī)控制和接口部分

8051單片機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行整機(jī)測量過程的控制、故障的自動檢測以及測量結(jié)果的處理與顯示等。

P1口與P2 口被用于施加各種控制信號，其中：P1.0 作為預(yù)置閘門時間的控制線；P1.1作為同部門控制電路的復(fù)位信號線；P1.2用于查詢閘門時間的狀態(tài)線；P1.3作為計(jì)數(shù)器復(fù)位信號線。

單片機(jī)內(nèi)部有兩個16位二進(jìn)制定時/計(jì)數(shù)器，用做兩個主計(jì)數(shù)器的一部分，并通過T0,T1分別與外部事件計(jì)數(shù)器和時間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接。外部的時間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器的測量結(jié)果分別通過擴(kuò)展輸入口與P0口相連。

8155作為單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，主要用來與顯示電路接口， 8155內(nèi)部的14 位計(jì)數(shù)器被用來作為本機(jī)的閘門時間計(jì)數(shù)器，定時器的輸入信號取自單片機(jī)ALE端；定時器的輸出與單片機(jī)的INT1相連，作為中斷信號。

2.4 顯示部分

采用8 位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。這是一個較為典型的采用8155并行口組成的顯示電路。八位LED顯示采用了動態(tài)顯示軟件譯碼工作方式。LED顯示器選用共陰極，段碼由8155PA口提供，位選碼8155PB口提供。其中7406反向驅(qū)動器做作為位選碼驅(qū)動器，這是因?yàn)?155PB口正邏輯輸出的位控與共陰極LED要求的低電平點(diǎn)亮正好相反，即當(dāng)PB口位控線輸出高電平時，點(diǎn)亮一位LED。7407是同相驅(qū)動器，作段選碼驅(qū)動器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語言編寫，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括中斷監(jiān)控服務(wù)程序，數(shù)值比較子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序，LED顯示子程序。主流程圖如下：

圖3 程序主流程圖

程序編寫較難的部分是數(shù)據(jù)處理部分，它涉及到多字節(jié)的乘除法。因?yàn)槌藬?shù)和被乘數(shù)各為三字節(jié)，因此需要進(jìn)行九次乘法運(yùn)算，得到九個部分積。我們知道MUL AB 指令，把累加器A和寄存器B中的兩個無符號8位數(shù)相乘，所得的16位乘積結(jié)果，低位字節(jié)放在A中，高位字節(jié)放在B中。假定部分積的高字節(jié)以“H ”為標(biāo)志，部分積的低字節(jié)以“L”為標(biāo)志，還要對相加產(chǎn)生的進(jìn)位進(jìn)行處理。

下圖為乘法的具體實(shí)現(xiàn)過程的示意圖：

圖4 乘法運(yùn)算示意圖

乘法運(yùn)算程序的關(guān)鍵段如下:

MOV A，R6

MOV B，R3

MUL AB ；得第一次部分積

MOV O8H，A ；得乘積的第六字節(jié)

MOV 09H，B ；R3R6H

MOV A，R6

MOV B，R2

MUL AB ；得第二次部分積

ADD A,O9H ；R3R6H+R2R6L

MOV 0BH，A

CLR A

ADDC A，B ；R2R6H+C

MOV OAH，A

MOV A，R6

MOV B，R1

MUL AB ；得第三次部分積

ADD A，0AH ；R2R6H+R1R6L

MOV OCH，A

CLR A

ADDC A，B ；R1R6H+C

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)的電路相比，該系統(tǒng)處理速度快、穩(wěn)定性高，采用多周期同步測量法實(shí)現(xiàn)全頻段的頻率精確測量，具有較高的性價比。

本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)是計(jì)數(shù)器和定時器分別由前后兩級組成，前級電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，大大提高了頻率計(jì)的測量范圍。

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