基于51單片機(jī)的頻率計設(shè)計

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時／計數(shù)器的工作方式。定時／計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。首先定時／計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。
　　
　　當(dāng)上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達(dá)到1 s（對應(yīng)的頻率測量范圍為100～999 Hz）時測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時／計數(shù)器的工作被設(shè)置為定時器方式，定時／計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運(yùn)行控制位TR置為1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運(yùn)行控制位TR清0，停止計數(shù)。16位定時／計數(shù)器的最高計數(shù)值為65 535，當(dāng)待測信號的頻率較低時，定時／計數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時，程序進(jìn)入定時器中斷服務(wù)程序，對溢出次數(shù)進(jìn)行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成：定時／計數(shù)器溢出次數(shù)、定時／計數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關(guān)系為：　f＝1／T
　　
　　完成信號的周期測量后，需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號的頻率。為提高運(yùn)算精度，采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)由3個字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點(diǎn)數(shù)通過截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。再通過浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計都開始下一次信號的頻率測量。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率頻率測量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。

5　實測結(jié)果和誤差分析
　　
　　為了衡量這次設(shè)計的頻率計的工作情況和測量精度，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗。以南京電訊儀器廠制造的E312B型通用計數(shù)器為基準(zhǔn)，用這次設(shè)計的頻率計對信號源進(jìn)行了測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。
　　
　　如圖1信號預(yù)處理電路所示，待測信號在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過了10×2次分頻。頻率計以進(jìn)入單片機(jī)時的信號頻率＝100 Hz為基準(zhǔn)（即待測信號頻率為2 kHz），大于此頻率采用頻率測量，小于此頻率采用周期測量。由表1頻率測量對比表可以看出，頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。

　　采用計數(shù)法實現(xiàn)頻率測量，誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差2部分。誤差表達(dá)式為：

其中：N為計數(shù)值，t為閘門時間。

　　閘門時間相對誤差dt／t主要取決于單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度，選擇合適的石英晶體和振蕩電路，誤差一般可＜10－6。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時，該項誤差可以忽略。對于dN／N部分，無論閘門時間長短，計數(shù)法測頻總存在1個單位的量化誤差。在表1中，待測信號頻率＞2 kHz時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項誤差的影響。
　　
　　當(dāng)待測信號頻率＜2 kHz時，直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達(dá)式為：

其中：dN／N為量化誤差，dτ0／τ0為單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度。
　　
　　進(jìn)行周期測量時進(jìn)入單片機(jī)的信號頻率＜100 Hz，使用12 MHz時鐘時的最小計數(shù)值為10 000。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時，該項誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算變換成頻率值，這時的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算和數(shù)制轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。

6　結(jié)　語
　　
　　介紹了一種基于單片機(jī)89C51制作的頻率計的設(shè)計方法，所制作的頻率計需要外圍器件較少，適宜用于嵌入式系統(tǒng)。該頻率計應(yīng)用周期測量和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理實現(xiàn)低頻段的頻率測量，因此很容易擴(kuò)展實現(xiàn)信號的周期測量和占空比測量。該頻率計被應(yīng)用于筆者設(shè)計的“高頻實驗裝置”之中，用來對LC振蕩器和RC振蕩器輸出信號的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行測量，取得良好的應(yīng)用效果。