數(shù)字頻率計的設計電子系統(tǒng)設計綜合實驗設計報告1

1、單片機課程設計杭州電子科技大學電子系統(tǒng)設計綜合實驗設計報告實驗名稱1數(shù)字頻率計設計大組號小組號姓名學號指導教師摘要在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，數(shù)字頻率計具有精度高、使用方便、測量迅速、以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是近代電子技術領域的重要工具之一，在許多領域得到廣泛應用。本系統(tǒng)以超低功耗msp430g2553單片機為核心處理芯片來測量信號的頻率，通過定時器a采用計數(shù)法完成信號頻率測量，并將被測頻率值通過lcd12864液晶串行顯示。頻率可測量范圍在1hz到60khz之間。關鍵字：頻率 430單片機 液晶顯示 串口1方案論證與比較1.1測頻基本方法和原理比較方案一：使用測頻法進行頻

2、率測量，測頻法即在限定的時間內（如1s）檢測脈沖的個數(shù)。當被測頻率的范圍比較高時，使用測頻法比較合適。方案二：使用測周法進行頻率測量，測周法即測試限定的脈沖個數(shù)之間的時間。當被測頻率的范圍比較低時，使用測周法比較合適?？紤]到較高的測試頻率，在此使用方案二，即測頻法進行測量。1.2 處理器的方案選擇論證本設計使用ti公司的msp430g2553低功耗單片機為主控芯片，該單片機的i/o接口較少，但內部資源豐富，如含有10位ad轉換、16位定時器/計數(shù)器、usart接口等，處理功能強大，足以勝任此次設計任務。1.3 滯回比較電路放大器的選擇方案一：使用ti公司的op37放大器，該放大器對信號轉換速率

3、快且穩(wěn)定，適用于對高頻信號的轉換，但價格較高。方案二：使用普通的lm324放大器，該放大器對信號轉換速率慢，適用于對低頻信號的轉換，價格便宜。考慮到三角波和正弦波在頻率較高時轉化為方波時對放大器的轉化速率要求較高，在此使用方案一，即使用ti公司的op37放大器作為滯回比較電路的核心轉換芯片。2系統(tǒng)設計2.1總體設計系統(tǒng)硬件設計方案如圖2.1-1所示：圖2.1-1 硬件設計方框圖電源系統(tǒng)由lm7805和200v轉18v中心變壓器組成，實現(xiàn)對msp430g2553核心處理芯片、lcd12864液晶顯示提供所需電源。顯示部分由12864液晶對頻率值進行實時顯示。軟件設計部分包括單片機的i/o中斷和定

4、時中斷，以及液晶的驅動和顯示。該設計由硬件和軟件共同實現(xiàn)了頻率計的功能，整體設計過程可概括為：被測信號通過滯回比較電路整形為適合單片機接收的脈沖信號（方波）輸入單片機，單片機通過i/o中斷和定時器共同獲得被測信號的頻率并通過液晶對頻率進行實時顯示。2.2單元電路設計2.2.1 msp430g2553和12864液晶引腳功能說明2.2.1.1 msp430g2553引腳功能說明本次設計需要用到430單片機的1腳電源、16腳復位端、20腳接地端、配置p1.0口為待測信號輸入端，p2.0為lcd片選信號端，p2.1為lcd串行數(shù)據(jù)輸入輸出端，p2.2為lcd串行時鐘輸入輸出端，p2.3為lcd串并模

5、式選擇端，如表2.2.1.1-1所示。表2.2.1.1-1 msp430g2553引腳及功能說明引腳序號引腳名稱功能說明1vcc電源正2p1.0頻率信號輸入端3p1.11khz方波產(chǎn)生引腳5p2.0lcd片選信號端6p2.1lcd串行數(shù)據(jù)輸入輸出端7p2.2lcd串行時鐘輸入輸出端8p2.3lcd串并模式選擇端16rst復位腳20gnd電源地2.2.1.2 lcd12864引腳功能說明lcd12864液晶顯示屏用到1、2腳，電源接口線，19、20腳背光電源接口線，15腳并行/串行接口選擇，5腳串行數(shù)據(jù)口，6腳串行的同步時鐘。lcd12864引腳功能如表2.2.1.2-2所示。表2.2.1.2-

6、2 lcd12864引腳功能說明引腳序號引腳名稱功能說明1vss模塊的電源地2vdd模塊的電源正端4rs(cs)并行指令/數(shù)據(jù)選擇信號、串行片選信號5r/w(sid)并行讀寫選擇信號、串行的數(shù)據(jù)口6e(clk)并行使能信號、串行的同步時鐘15psbpsb并/串行接口選擇：h-并行，l-串行19led_a背光源正極20led_k背光源負極（0v）2.2.2滯回比較電路設計滯回比較電路將輸入信號波形轉化為脈沖信號，另外波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正弦波樣的正負交替的信號波形變換成可被單片機接收的ttl信號，以便單片機對其進行頻率測量，最后將測得的數(shù)據(jù)通過12864液晶顯示。滯回比較器是一個具有遲滯

7、回環(huán)傳輸特性的比較器。在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入正反饋網(wǎng)絡，就組成了具有雙門限值的反相輸入滯回比較器。由于反饋的作用這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓的變化而變化的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高。反相滯回比較器的電路組成如圖2.2.2-1所示，如果把vi和vref位置互換，就可以構成同相輸入遲滯比較器。圖2.2.2-1 反相滯回比較器電路組成滯回比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。對于單限比較器，如果輸入信號在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產(chǎn)生相應的抖動（起伏），而在此電路中引入正反饋可以克服這一缺點。整個滯回比較電路原理圖如圖2.2.2-2所示。 圖2.2.2

8、-2 滯回比較電路圖op37和r4、r8組成滯回比較器，對被測信號轉化為脈沖信號，二極管實現(xiàn)對脈沖信號進行整形，濾去負電平部分，變成可被單片機接收的ttl信號，輸入到單片機，以實現(xiàn)頻率測量。2.2.3 顯示電路設計該頻率計采用12864液晶進行顯示12864液晶顯示器是一種具有 4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內置 8192 個 16*16 點漢字，和128個16*8點 ascii 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 84 行

9、1616 點陣的漢字。 也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。液晶的控制管腳與430單片機的連接如下圖2.2.3-2所示。圖2.2.3-2 液晶控制管腳連接圖3軟件設計3.1 總體設計流程圖系統(tǒng)軟件設計包括測量初始化模塊、顯示模塊、定時器中斷服務模塊、i/o中斷模塊。系統(tǒng)軟件整體流程圖如圖3.1-1所示。圖3.1-1 系統(tǒng)軟件整體設計流程圖3.2 各功能子模塊介紹3.2.1 初始化模塊設備初始化包括關閉看門狗，i/o口輸入/輸出功能的配置

10、，時鐘初始化，端口初始化以及液晶初始化，開總中斷，其流程圖如圖3.2.1-1所示。3.2.1-1 系統(tǒng)初始化流程圖3.2.2 中斷模塊首先開啟定時溢出中斷和i/o中斷，再打開總中斷，計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)溢出時進入溢出中斷，且溢出次數(shù)加1，當有上升沿到來時，進入i/o中斷，計算兩次中斷之間（一個周期內）的計數(shù)值，并轉化為頻率值。ta中斷流程圖如圖3.2.2-1所示。圖3.2.2-1 ta中斷流程圖i/o中斷流程圖如圖3.2.2-2所示。圖3.2.2-2 i/o中斷流程圖3.2.3 顯示模塊首先根據(jù)12864液晶的時序圖寫出液晶驅動函數(shù)，并調用驅動函數(shù)完成在指定位置處顯示字符的功能函數(shù)，這樣通過

11、定時刷新液晶屏就可以顯示頻率值了，而且顯示位置可以根據(jù)需要任意指定。3.2.4 串口模塊首先將出口進行初始化，然后當定時器達到1s時，串口定時向pc機發(fā)送當前測到的頻率值，串口流程圖如圖3.2.4-1所示。圖3.2.4-1 串口流程圖4 系統(tǒng)測試4.1 測試430單片機自身產(chǎn)生1khz方波的頻率將模擬開關閉合，使430單片機自身產(chǎn)生的1khz的方波接入被測信號接口，測試結果如表4.1-1。表4.1-1 430單片機自身產(chǎn)生方波測試結果次數(shù)實際頻率測試頻率串口發(fā)送頻率（ascii碼）11khz991hz39 39 31 21khz992hz39 39 3231khz992hz39 39 314.

12、2 測試由信號發(fā)生儀產(chǎn)生的頻率將模擬開關斷開，使信號發(fā)生儀產(chǎn)生方波接入被測信號接口，測試結果如表4.2-1。表4.2-1 外部接入方波測試結果：次數(shù)實際頻率測試頻率串口發(fā)送頻率（ascii碼）1100hz98 hz39 3821khz991 hz39 39 31320khz19526 hz31 39 35 32 36435 khz34125hz33 34 31 32 35 555 khz54655 hz35 34 36 35 35將模擬開關斷開，使信號發(fā)生儀產(chǎn)生正弦波接入被測信號接口，測試結果如表4.2-2。表4.2-2 外部接入正弦波測試結果：次數(shù)實際頻率測試頻率串口發(fā)送頻率（ascii碼）

13、1100hz97hz39 3721 khz992hz39 39 32320 khz19498hz31 39 34 39 38435 khz34268hz33 34 32 36 38555 khz54623hz35 34 36 32 33表4.2-2 外部接入正弦波測試結果將模擬開關斷開，使信號發(fā)生儀產(chǎn)生三角波接入被測信號接口，測試結果如表4.2-3。表4.2-3 外部接入三角波測試結果次數(shù)實際頻率測試頻率串口發(fā)送頻率（ascii碼）1100hz97hz39 3721 khz991 hz39 39 31320 khz19544hz31 39 35 34 34435 khz34368hz33 34

14、 33 36 38555 khz54645hz35 34 36 34 35從以上實測數(shù)據(jù)看，本設計很好地完成了設計題目中的各項要求，具有優(yōu)良的性能，且實物做工精美，這說明本設計是比較成功的。附錄附一：參考文獻1. 胡大可,msp430超低功耗16位單片機原理與應用,北京航空航天大學出版社.2. 童詩白，華成英，模擬電子技術基礎（第四版）,清華大學出版社,2006.01.3. msp430g2553datasheet.4. x2xxuserguide.5. op37datasheet.附二：元器件及儀器明細表lanchpad430開發(fā)板1塊電源模塊1個12864液晶屏1個msp430g2553處

15、理器1個usb線1根焊接板3塊op37放大器1個模擬開關1個杜邦線若干電阻若干電容若干附三：設計原理圖圖附三-1為單片機最小系統(tǒng)。附三-1 單片機最小系統(tǒng)：圖附三-3為滯回比較電路。附三-3 滯回比較電路附五：實驗設計程序/* * 頭文件 */#include #include stdio.h/* * 全局變量的定義和宏定義 */unsigned int start,end;unsigned long int f = 0;unsigned char ta_overflow;unsigned int ta_i = 0;unsigned int port_i;unsigned char tab=0

16、123456789;unsigned char a8;unsigned char int_to_string10;unsigned char int_array10;#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define cs_0 p2out &= bit0 /片選為低電平#define cs_1 p2out |= bit0/片選為高電平#define sid_0 p2out &= bit1/串行數(shù)據(jù)輸入為0#define sid_1 p2out |= bit1/串行數(shù)據(jù)輸入為1#define sclk_0 p2out &= bi

17、t2/時鐘線拉低#define sclk_1 p2out |= bit2/時鐘線拉高#define psb_0 p2out &= bit3/出行輸入#define lcd_dir_out p2dir |= bit0 + bit1 + bit2 + bit3/4個端口設置為輸出/* 名稱 : sendbyte* 功能 : 發(fā)送數(shù)據(jù)* 輸入 : dbyte* 輸出 : 無*/void sendbyte(uchar dbyte)uchar i;lcd_dir_out;for(i = 0;i 8;i+)if(dbyte i) & 0x80)sid_1;elsesid_0;sclk_0;_delay_c

18、ycles(2);sclk_1;/* 名稱 : write_instruction* 功能 : 向lcd寫指令* 輸入 : data* 輸出 : 無*/void write_instruction(uchar data)lcd_dir_out;cs_1;sendbyte(0xf8);sendbyte(data & 0xf0);sendbyte(data 4) & 0xf0);_delay_cycles(20);/* 名稱 : write_data* 功能 :向lcd寫入數(shù)據(jù)* 輸入 : data* 輸出 : 無*/void write_data(uchar data)lcd_dir_out;c

19、s_1;sendbyte(0xfa);sendbyte(data & 0xf0);sendbyte(data = 100000)write_data(tabf/100000);write_data(tabf%100000/10000);write_data(tabf%10000/1000);write_data(tabf%1000/100);write_data(tabf%100/10);write_data(tabf%10);_delay_cycles(1000);else if(f = 10000)write_data(tabf/10000);write_data(tabf%10000/1

20、000);write_data(tabf%1000/100);write_data(tabf%100/10);write_data(tabf%10);_delay_cycles(1000);else if(f = 1000)write_data(tabf/1000);write_data(tabf%1000/100);write_data(tabf%100/10);write_data(tabf%10);_delay_cycles(1000);else if(f = 100)write_data(tabf/100);write_data(tabf%100/10);write_data(tabf

21、%10);_delay_cycles(1000);else if(f = 10)write_data(tabf/10);write_data(tabf%10);_delay_cycles(1000);elsewrite_data(tabf);_delay_cycles(1000);/* 名稱 : init_uart0* 功能 : 初始化串口* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void init_uart0() uca0ctl1|=ucswrst; /uca0軟件復位 /uca0ctl0&=uc7bit;/字符長度為8 uca0ctl1|=ucssel_2;/選擇系統(tǒng)時鐘:smclk uca0b

22、r0=0x6d; /波特率為9600 uca0br1=0; uca0mctl=0;/uca0mctl=ucbrs0; ie2=uca0rxie+uca0txie;/開接收使能 uca0ctl1&=ucswrst; p1sel|=bit1+bit2; /將p1.1 p1.2設為第二功能 p1sel2|=bit1+bit2;/* 名稱 : uart0sends* 功能 : 串口發(fā)送數(shù)據(jù)* 輸入 : *s* 輸出 : 無*/void uart0sendsdata(char *s) while(*s!=0) uca0txbuf=*s; while(ifg2&uca0txifg)=0); /查詢發(fā)送是否

23、結束 ifg2&=uca0txifg; /清除發(fā)送一標志位 s+; /* 名稱 : init_in* 功能 :初始化外部終端* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void init_in()p1dir |= bit6;p1dir &= bit3;p1ies |= bit3;p1ie |= bit3;p1ifg &= bit3;_eint();void init_timer() tacctl0 = ccie; / ccr0 interrupt enabled taccr0 = 1; tactl = tassel_1 + mc_1 + taie + taclr; /up mode/* 名稱 : in

24、t_to_string* 功能 :將一個int型數(shù)據(jù)轉換為string型* 輸入 : now_f* 輸出 : 無*/void int_to_string(unsigned long int now_f)int j = 0;for(j = 0; ;j+)int_arrayj = now_f % 10 + 48 ;now_f = now_f / 10;if(now_f = 0) break;int i = j ;for(i = j , j = 0; i = 0; i-,j+)int_to_stringj = int_arrayi;void main()wdtctl = wdtpw + wdthold; p1dir |= bit7; / p1.0 output p1dir |= bit0; if (calbc1_1mhz =0xff | caldco_1mhz = 0xff) while(1); / if calibration constants erased / do not load, trap cpu! /1mhz bcsctl1 = calbc1_1mhz; / set range dcoctl = caldco_1mhz; / set dco step