CY8C29666芯片的高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在電工技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，頻率與其他許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。隨著航天軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)時(shí)間及頻率的測(cè)量精度有了更高的要求。但是在現(xiàn)有基于單片機(jī)、CPLD等的測(cè)頻設(shè)備中，在高頻率的工作條件下工作不夠穩(wěn)定，電路板的設(shè)計(jì)比較困難，測(cè)量精度達(dá)不到系統(tǒng)要求的數(shù)量級(jí)。因此，研究測(cè)量精度更高的測(cè)量設(shè)備具有重大意義。

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress公司推出的一款基于通用IP模塊，并且具有真正混合信號(hào)處理能力的可編程片上系統(tǒng)芯片。在PSoC芯片的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)。使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。因此，PSoC能夠滿(mǎn)足非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，使用它進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可以大大提高開(kāi)發(fā)效率，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，PSoC特別適用于各種控制和自動(dòng)化領(lǐng)域。

1 測(cè)量原理

頻率測(cè)量主要有測(cè)頻法和測(cè)周法兩種。測(cè)頻法就是在確定的閘門(mén)時(shí)間Tw內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)(或脈沖個(gè)數(shù))Nx，則被測(cè)信號(hào)的頻率為fx=Nx/Tw。測(cè)周法需要有標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號(hào)fs，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期數(shù)Ns，則被測(cè)信號(hào)的頻率為fx=fs/Ns;在多個(gè)周期內(nèi)，記錄被測(cè)頻率的變化周期數(shù)(或脈沖個(gè)數(shù))Nx，則被測(cè)頻率為fx=fs×Nx/Ns。這兩種方法的計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)脈沖誤差，并且測(cè)試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。

本設(shè)計(jì)采用多周期同步測(cè)頻法：首先通過(guò)對(duì)定時(shí)器的設(shè)定來(lái)預(yù)置閘門(mén)時(shí)間。將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和被測(cè)頻率信號(hào)分別輸入兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行多個(gè)周期的同步計(jì)數(shù)。預(yù)置閘門(mén)時(shí)間結(jié)束時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)頻率信號(hào)下一個(gè)同相位觸發(fā)沿到來(lái)之后才關(guān)閉同步門(mén)并停止計(jì)數(shù)。因此，測(cè)量結(jié)果的精度僅與閘門(mén)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，誤差由被測(cè)頻率的±1個(gè)脈沖減少到標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的±1個(gè)脈沖，測(cè)量精度有顯著提高。多周期同步測(cè)頻法原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

由原理分析可知，采用多周期同步測(cè)頻法測(cè)量單路信號(hào)頻率時(shí)，至少需要一個(gè)能提供閘門(mén)信號(hào)的定時(shí)器，一個(gè)控制實(shí)際閘門(mén)信號(hào)在被測(cè)信號(hào)上升沿處啟停的同步控制模塊，以及兩個(gè)分別對(duì)實(shí)際閘門(mén)內(nèi)的被測(cè)頻率信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。由運(yùn)算器對(duì)計(jì)數(shù)器的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，求出被測(cè)頻率值，最后通過(guò)顯示模塊顯示測(cè)量結(jié)果。

在兩路信號(hào)頻率測(cè)量中，不同信號(hào)的閘門(mén)信號(hào)產(chǎn)生電路和計(jì)數(shù)器都是彼此獨(dú)立的，但其控制運(yùn)算部分都由CPU來(lái)完成。基于對(duì)PsoC內(nèi)部資源上的考慮，本設(shè)計(jì)采用1片PSoC芯片CY8C29666作為頻率測(cè)量系統(tǒng)的主體部分，每個(gè)PsoC芯片內(nèi)部至少需要配置2個(gè)定時(shí)器功能模塊和4個(gè)計(jì)數(shù)器功能模塊。各計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果輸入到CPU中進(jìn)行計(jì)算，得到的被測(cè)信號(hào)頻率值并輸出到顯示部分。

PSoC芯片是整個(gè)頻率測(cè)量系統(tǒng)的核心，其配置方式的可行性和合理性直接關(guān)系到系統(tǒng)功能能否順利實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中使用PSoC Designer軟件中的器件編輯器對(duì)CY8C29666內(nèi)部的全局資源、用戶(hù)模塊、連接關(guān)系以及芯片引腳進(jìn)行配置，在此基礎(chǔ)上添加外部器件，即可完成系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的搭建。本設(shè)計(jì)中，兩路信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理部分將系統(tǒng)資源一分為二，即定時(shí)器模塊均為8位，兩個(gè)被測(cè)頻率計(jì)數(shù)器均為16位，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器均為32位。

定時(shí)器的配置方式是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。定時(shí)器模塊是由1個(gè)周期寄存器、1個(gè)同步遞減計(jì)數(shù)器和1個(gè)捕獲比較寄存器組成。周期寄存器和捕獲比較寄存器中要分別存放兩個(gè)值，即Period和CompareValue，這兩項(xiàng)值決定著閘門(mén)時(shí)間的長(zhǎng)短。定時(shí)器模塊共有兩項(xiàng)輸出：比較輸出和最終計(jì)數(shù)輸出。其中比較輸出連到同步控制模塊，用于產(chǎn)生同步使能信號(hào);最終計(jì)數(shù)輸出端接到指定的GPIO引腳，用來(lái)判斷何時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值及重寫(xiě)計(jì)數(shù)器的初值。

開(kāi)啟定時(shí)器后，遞減計(jì)數(shù)器由Period值開(kāi)始遞減，同時(shí)兩個(gè)輸出端均輸出低電平。當(dāng)計(jì)數(shù)值等于Compare Value時(shí)，在下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿，比較輸出端輸出高電平，直至計(jì)數(shù)值遞減到零時(shí)，比較輸出跳低——這樣就產(chǎn)生了定閘門(mén)信號(hào)。定閘門(mén)信號(hào)進(jìn)入同步控制模塊，產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)上升沿同步的使能信號(hào)。兩個(gè)計(jì)數(shù)器在使能信號(hào)為高時(shí)開(kāi)始遞減計(jì)數(shù)。當(dāng)使能信號(hào)跳低后，計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)。讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)值，即可計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要由主程序、中斷服務(wù)子程序和顯示子程序構(gòu)成。為了使設(shè)計(jì)出來(lái)的軟件功能明確，便于調(diào)試、擴(kuò)展和移植，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。主程序如圖3所示。

需要注意的是，定時(shí)器最終計(jì)數(shù)結(jié)束后的下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，定時(shí)器會(huì)自動(dòng)重新加載計(jì)數(shù)初值，所以要在此之前讀取兩計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。故使用定時(shí)器的最終計(jì)數(shù)輸出功能，在此時(shí)輸出一個(gè)脈沖觸發(fā)中斷，即可通過(guò)編寫(xiě)中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)讀取計(jì)數(shù)值，并重置計(jì)數(shù)器初值的功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為fs，通過(guò)配置定時(shí)器模塊得到的閘門(mén)時(shí)間為T(mén)，被測(cè)信號(hào)頻率的理論值為fxe，T時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)和基準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值分別為Nx和Ns，則被測(cè)信號(hào)的頻率為fx=fs×Nx/Ns。在忽略基準(zhǔn)頻率fs誤差的情況下，測(cè)頻可能產(chǎn)生的誤差為：

δ=[(fxe-fx)/fxe]×100% (1)

由于測(cè)量中兩計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)啟停都由fx的上升沿觸發(fā)，即實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為被測(cè)頻率信號(hào)的整數(shù)倍，故對(duì)fx計(jì)數(shù)不存在誤差;對(duì)fs的計(jì)數(shù)Ns最多相差一個(gè)脈沖的誤差，即|△ Ns| ≤1，此時(shí)測(cè)量頻率為：

由式(3)可以看出，測(cè)量頻率的相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的大小無(wú)關(guān)，僅與閘門(mén)時(shí)間和基準(zhǔn)信號(hào)頻率有關(guān)。閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測(cè)頻的相對(duì)誤差就越小。這里選定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為48 MHz，閘門(mén)時(shí)間分別為10 s和10 ms的情況。通過(guò)計(jì)算可知：閘門(mén)時(shí)間為10 s時(shí)，理論誤差為2.083×10-9;閘門(mén)時(shí)間為10 ms時(shí)，理論誤差為2.083×10-8。系統(tǒng)電路安裝調(diào)試成功后，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。兩路輸入信號(hào)分別取自綠楊牌YB1631信號(hào)發(fā)生器以及信達(dá)牌XD11BH多用信號(hào)發(fā)生器。被測(cè)信號(hào)參考頻率由Keithley 2000數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得。測(cè)量結(jié)果如表1所列。

由表1可知，本設(shè)計(jì)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)精度在10-6以上，基本達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，但是與理論誤差相比還有一定差距。原因有兩方面：一方面在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下，沒(méi)有頻率精度更高的頻率計(jì)，故以其為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的誤差只能作為參考，更高的測(cè)量精度無(wú)法驗(yàn)證;另一方面是系統(tǒng)本身存在誤差。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以PSoC芯片CY8C29666為核心，以多周期同步測(cè)頻法為基礎(chǔ)，充分利用了PSoC芯片內(nèi)部集成的功能模塊資源，完成了兩路信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其硬件電路簡(jiǎn)單，提高了頻率測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了高集成度、高速和高可靠性。同時(shí)，由于PSoC器件的體積和功能優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了成本。