基于C8051F020芯片的多功能計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

　　引言

　　計(jì)數(shù)器作為一種測(cè)量工具．在實(shí)驗(yàn)分析、工業(yè)丁程制造、測(cè)試系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展．計(jì)數(shù)器的軟硬件有了飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展．功能也得到了加強(qiáng)。尤其是各種新型計(jì)數(shù)器的應(yīng)用。極大地提高了測(cè)量的精度、測(cè)量的范圍與測(cè)量的內(nèi)容。

　　多功能計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與制作．涉及到單片機(jī)技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、語(yǔ)音報(bào)數(shù)等多方面理論知識(shí)和實(shí)際制作技術(shù)。本文詳細(xì)分析了多功能計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方案和電氣原理．描述了多功能計(jì)數(shù)器中各個(gè)模塊的基本工作原理和相互關(guān)系．最后歸納分析了所設(shè)計(jì)出的多功能計(jì)數(shù)器的主要功能和性能指標(biāo)、特點(diǎn)以及使用方法。

　　1 方案比較與確定

　　1．1測(cè)量原理比較

　　經(jīng)分析，有以下2種測(cè)量原理方案可供選擇：

　　方案一：采用等精度測(cè)量法。等精度測(cè)頻法使該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①相對(duì)測(cè)量誤差與被測(cè)頻率的高低無(wú)關(guān)；②增大Ypr或fs可以增大N5，減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度；③測(cè)量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，預(yù)置門和常規(guī)測(cè)頻閘門時(shí)間相同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下。等精度測(cè)量法的測(cè)鼉精度不變。實(shí)現(xiàn)原理圖如下圖1-1所示：

　　方案二：邊沿觸發(fā)捕捉通過PCA的邊沿捕捉模式對(duì)信號(hào)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)從而達(dá)到間接對(duì)周期、頻率和時(shí)間間隔的測(cè)量功能。

　　對(duì)頻率(周期)的測(cè)量：?jiǎn)纹瑱C(jī)的晶振為22．1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率(周期)，同時(shí)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)預(yù)處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對(duì)其上升沿進(jìn)行捕捉并計(jì)數(shù)，從而通過間接測(cè)量出在標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)或標(biāo)準(zhǔn)周期內(nèi)信號(hào)的數(shù)目。達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。其原理圖如圖l一2所示。

圖1-1等精度測(cè)頻

圖1-2 PCA邊沿捕捉原理圖

　　對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量：由于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)都是周期信號(hào)，而且此法對(duì)周期信號(hào)的測(cè)量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號(hào)的相鄰兩個(gè)上升沿。并記錄時(shí)間就得到了時(shí)間間隔。

　　采用這種方法得到的測(cè)量結(jié)果的誤差小，精度極高，可以達(dá)到題目發(fā)揮部分要求的精度；同時(shí)此法的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍模塊相對(duì)較少，實(shí)現(xiàn)功能較多，能夠測(cè)量的頻率范圍、周期范圍較大。

　　綜合上述因素，本顯示器采用第二種方案，即由PCA邊沿捕捉測(cè)試。

　　1．2 預(yù)處理設(shè)備選擇

　　方案一 用施密特觸發(fā)器將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)?？梢苑乐贡容^器兇干擾而產(chǎn)生的抖動(dòng)．且可以提供一定的正反饋使其傳輸特性具有回差特性。但當(dāng)輸入信號(hào)幅值低于其觸發(fā)電平時(shí)．不能產(chǎn)生我們需要的脈沖信號(hào)。

　　方案二 用6N317高速光電耦合器將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能。在響應(yīng)速度、輸出電平與數(shù)字電路的兼容性、工作點(diǎn)穩(wěn)定及價(jià)格方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)它可以產(chǎn)生頻率范圍較大的脈沖信號(hào)．很好的滿足題目基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分的功能實(shí)現(xiàn)。如圖1-3所示。

　　基于以上分析，擬采用方案二。

圖1-3預(yù)處理系統(tǒng)原理圖

　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　2．1系統(tǒng)總體方案

　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，本計(jì)數(shù)器在硬件上由電源模塊、預(yù)處理模塊、分頻器、C8051芯片、LCD、鍵盤、溫度測(cè)量模塊、語(yǔ)音模塊等部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

　　預(yù)處理模塊對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整形，產(chǎn)生可供單片機(jī)判斷處理的信號(hào)。單片機(jī)對(duì)預(yù)處理傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行判斷、計(jì)數(shù)以測(cè)量出題目要求的各物理量。然后控制顯示器顯示當(dāng)前測(cè)量結(jié)果．并對(duì)用戶從鍵盤輸入的信息進(jìn)行處理、執(zhí)行功能子程序以及根據(jù)計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷啟動(dòng)相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)數(shù)程序。

　　2．2 核心技術(shù)

　　PCA捕捉原理：EXn引腳上出現(xiàn)的有效電平變化導(dǎo)致PCA0捕捉PCAO計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的值并將其裝入到對(duì)應(yīng)模塊的16位捕捉/比較寄存器(PCAOCPLn和PCAOCPHn)。PCAOCPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于選擇觸發(fā)捕捉的電平變化類型：低電平到高電平(正沿)、高電平到低電平(負(fù)沿)或任何一種變化(正沿或負(fù)沿)。當(dāng)捕捉發(fā)生時(shí)，PCAOCN中的捕捉/比較標(biāo)志(CCFn)被置為邏輯1并產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求(如果CCF中斷被允許)。當(dāng)CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)．CCFn位不能被硬件自動(dòng)清除。必須用軟件清0。因此通過PCA的邊沿捕捉模式對(duì)信號(hào)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)從而達(dá)到間接對(duì)周期、頻率和時(shí)間間隔的測(cè)量功能。

　　對(duì)頻率(周期)的測(cè)量：?jiǎn)纹瑱C(jī)的品振為22.1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率(周期)，同時(shí)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)預(yù)處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對(duì)其上升沿進(jìn)行捕捉并計(jì)數(shù)．從而通過間接測(cè)量出在標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間t內(nèi)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的數(shù)目．由公式計(jì)算出頻率與周期。

　　xt表示計(jì)數(shù)器溢出的次數(shù)。PCAOCPMn代表PCAOCPMn內(nèi)的數(shù)值，PCAOCN代表PCAOCN內(nèi)的數(shù)值。

　　對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量：由于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)都是周期信號(hào)，而且此法對(duì)周期信號(hào)的測(cè)量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號(hào)的相鄰兩個(gè)上升沿。并分別記錄時(shí)間t1、t2就得到了時(shí)間間隔，則tx=t2一t1。

　　2．3存儲(chǔ)模塊

　　由于需要可以查閱最近十次的測(cè)量結(jié)果。因此，在系統(tǒng)中增加AT24C256為核心的E2PROM模塊。

　　2．4峰值檢測(cè)模塊

　　峰值檢測(cè)器的信號(hào)檢測(cè)范圍由基準(zhǔn)電壓確定．比較器將衰減后的輸入信號(hào)與前存儲(chǔ)的峰值電壓進(jìn)行比較．如果輸入信號(hào)高于以前存儲(chǔ)的峰值電壓，則比較器輸出高電平，允許計(jì)數(shù)器以輸入始終確定的速率累加計(jì)數(shù)．隨著計(jì)數(shù)器數(shù)值的增加，模數(shù)轉(zhuǎn)化器輸出增大．當(dāng)輸入信號(hào)低于計(jì)數(shù)器內(nèi)鎖存的峰值電壓時(shí)，比較器輸出為低電平?jīng)_止計(jì)數(shù)。來(lái)自微處理器的CLR信號(hào)用于峰值檢測(cè)器的控制，當(dāng)CLR為低電平時(shí)計(jì)數(shù)器被復(fù)位，CLR為高電平時(shí)峰值檢測(cè)器處于正常工作狀態(tài)。電路圖如圖糾所示。

　　2．5測(cè)溫模塊

　　系統(tǒng)選用數(shù)字式溫度傳感器DSl8820，它具有體積小、精度高、使用電壓寬、經(jīng)濟(jì)、靈活、采用一線總線、可組網(wǎng)的特點(diǎn)。電路如圖2—2所示。

圖2-2峰值檢波電路原理圖

　　3 系統(tǒng)測(cè)試

　　測(cè)試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3-1所示：

表3-1指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)表

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)以C8051F020為控制核心，實(shí)現(xiàn)了一款簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器。通過測(cè)試。系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且完成的指標(biāo)比較高。在以單片為核心的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款低成本、多功能的簡(jiǎn)易計(jì)數(shù)器，因其體積小，攜帶方便且擴(kuò)展了許多常用的人性化功能給單片機(jī)等微機(jī)算計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)作出了一點(diǎn)實(shí)踐性探索。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一款低成本、能實(shí)現(xiàn)周期測(cè)量、頻率測(cè)量和時(shí)間間隔測(cè)量及其他擴(kuò)展功能的簡(jiǎn)易計(jì)數(shù)器，有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。