基于a89c51單片機的頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

基于a89c51單片機的頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

1系統(tǒng)總結(jié)1.1系統(tǒng)的硬件框圖頻率計由89c51組成，信號處理電路、矩陣通信電路、測量數(shù)據(jù)顯示電路和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。其中，信號處理電路包括對測量信號的放大、波形變換、波形結(jié)構(gòu)和頻帶治理。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。信號予處理電路中的放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求;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受的TTL/CMOS兼容信號;分頻電路用于擴展單片機的頻率測量范圍并實現(xiàn)單片機頻率測量和周期測量使用統(tǒng)一的輸入信號。系統(tǒng)軟件包括測量初始化模塊、顯示模塊、信號頻率測量模塊、量程自動轉(zhuǎn)換模塊、信號周期測量模塊、定時器中斷服務(wù)模塊、浮點數(shù)格式化模塊、浮點數(shù)算術(shù)運算模塊、浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。1.2和測量反應(yīng)時間的設(shè)計本頻率計的設(shè)計以AT89C51單片機為核心,利用它內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機AT89C51內(nèi)部具有2個16位定時/計數(shù)器,定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時,每個機器周期加1(使用12MHz時鐘時,每1us加1),這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1,這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入每個機器周期被采樣一次,這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期(24個振蕩周期),所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/24(使用12MHz時鐘時,最大計數(shù)速率為500KHz)。定時/計數(shù)器的工作由相應(yīng)的運行控制位TR控制,當TR置1,定時/計數(shù)器開始計數(shù);當TR清0,停止計數(shù)。設(shè)計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求。例如當要求頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字,這時如果待測信號的頻率為1Hz,則計數(shù)閘門寬度必須大于1000s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求,把測量工作分為兩種方法。當待測信號的頻率大于100Hz時,定時/計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器,以機器周期為基準,由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門,這時要滿足頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字,則計數(shù)閘門寬度大于1s即可。當待測信號的頻率小于100Hz時,定時/計數(shù)器構(gòu)成為定時器,由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波,方波寬度等于待測信號的周期。用方波作計數(shù)閘門,當待測信號的頻率等于100Hz,使用12MHz時鐘時的最小計數(shù)值為10000,完全滿足測量精度的要求。1.3測量過程的工作過程在使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時,這時外部的待測信號為定時/計數(shù)器的計數(shù)源,利用軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為:首先定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0,運行控制位TR置1,啟動定時/計數(shù)器;然后運行軟件延時程序,同時定時/計數(shù)器對外部的待測信號進行計數(shù),延時結(jié)束時TR清0,停止計數(shù);最后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測量結(jié)果。在使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時,這時外部的待測信號通過頻率計的予處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波,該方波同樣加至定時/計數(shù)器的輸入腳。這時頻率計的工作過程為:首先定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0,然后檢測方波高電平是否加至定時/計數(shù)器的輸入腳;當判定高電平加至定時/計數(shù)器的輸入腳,運行控制位TR置1,啟動定時/計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù),同時檢測方波高電平是否結(jié)束;當判定高電平結(jié)束時TR清0,停止計數(shù),然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果的顯示格式采用科學計數(shù)法,即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計的頻率計用5位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果:前3位為測量結(jié)果的有效數(shù)字;第4位為指數(shù)的符號;第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測量結(jié)果的顯示精度,又保證了測量結(jié)果的顯示范圍(0.100Hz-9.99MHz)。量程自動轉(zhuǎn)換的過程由頻率計測量量程的高端開始。由于只顯示3位有效數(shù)字,在測量量程的高端計數(shù)閘門不需要太寬,例如在10.0KHz-99.9KHz頻率范圍,計數(shù)閘門寬度為10mS即可。頻率計每個工作循環(huán)開始時使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量,并使計數(shù)閘門寬度為最窄,完成測量后判斷測量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字,如果成立,將結(jié)果送去顯示,本工作循環(huán)結(jié)束;否則將計數(shù)閘門寬度擴大10倍,繼續(xù)進行測量判斷,直到計數(shù)閘門寬度達到1s,這時對應(yīng)的頻率測量范圍為100Hz-999Hz。如果測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字,頻率計則使用定時方法實現(xiàn)頻率測量。定時方法測量的是待測信號的周期,這種方法只設(shè)一種量程,測量結(jié)果通過浮點數(shù)運算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率值,再將結(jié)果送去顯示。這樣無論采用何種方式,只要完成一次測量即可,頻率計自動開始下一個測量循環(huán),因此該頻率計具有連續(xù)測量的功能,同時實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。2系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1測頻器的設(shè)計頻率計信號予處理電路如圖3所示,它由四級電路構(gòu)成。第一級為零偏置放大器,當輸入信號為零或者為負電壓時,三極管截止,輸出高電平;當輸入信號為正電壓時,三極管導通,輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波樣的正負交替波形變換成單向脈沖,這使得頻率計既可以測量任意方波信號的頻率,也可以測量正弦波信號的頻率。放大器的放大能力實現(xiàn)了對小信號的測量,本電路可以測量幅度≥0.5V的正弦波或脈沖波待測信號。三極管應(yīng)采用開關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器7414,它用于把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL/CMOS電平相兼容的方波。第三級采用十進制同步計數(shù)器74160,第二級輸出的方波加到74160的CLK,當從74160的TC輸出可實現(xiàn)10分頻(多個74160的級連可以進一步擴展測頻范圍)。第四級同樣采用十進制同步計數(shù)器74160,第三級輸出的方波加到它的CLK,從它的Q0輸出即可實現(xiàn)2分頻,且其輸出為對稱方波,方波寬度等于待測信號的周期,從而為測量信號周期提供基礎(chǔ)。2.2顯示電路模塊頻率測量電路選用89C51作為頻率計的信號處理核心。89C51包含2個16位定時/計數(shù)器、1個具有同步移位寄存器方式的串行輸入/輸出口和4K×8位片內(nèi)FLASH程序存儲器。16位定時/計數(shù)器用于實現(xiàn)待測信號的頻率測量或者待測信號的周期測量。同步移位寄存器方式的串行輸入/輸出口用于把測量結(jié)果送到顯示電路。4K×8位片內(nèi)FLASH程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容,如:89C52(8K×8位)或89C55(32K×8位),為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。2.3測量數(shù)據(jù)顯示顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼,通過89C51的串行口送出。串行口工作于模式0,即同步移位寄存器方式。這時從89C51的RXD(P3.0)輸出數(shù)據(jù),送至串入并出移位寄存器74164的數(shù)據(jù)輸入口A和B;從TXD(P3.1)輸出時鐘,送至74164的時鐘輸入口CP。74164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),進行鎖存。74164輸出的8位并行數(shù)據(jù)送至8段LED,實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示。使用這種方法主程序可不必掃描顯示器,從而單片機可以進行下一次測量。這種方法也便于對顯示位數(shù)進行擴展。3軟件設(shè)計3.1浮點數(shù)的計算過程在頻率計開始工作,或者完成一次頻率測量,系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。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。在對定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0后,置運行控制位TR為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)閘門的最小值開始,也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0,停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16進制數(shù)到10進制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)。對10進制數(shù)的最高位進行判別,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。當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1s,這時對應(yīng)的頻率測量范圍為100Hz-999Hz,如果測量結(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)器的工作這時被設(shè)置為定時器方式,在對定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0后,判斷待測信號的上跳沿是否到來。待測信號的上跳沿到來后,置運行控制位TR為1,以單片機工作周期為單位,啟動對待測信號的周期測量。然后判斷待測信號的下跳沿是否到來,待測信號的下跳沿到來后,運行控制位TR清0,停止計數(shù)。16位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535,這樣在待測信號的頻率較低時,定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出。當產(chǎn)生定時/計數(shù)器將溢出,程序進入定時器中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進行計數(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)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度,這里采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)用3個字節(jié)組成,第一字節(jié)最高位為數(shù)符,其余7位為階碼;第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié);第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)首先通過截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其進行處理,獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達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。無論從哪一種方式進入顯示模塊,完成顯示后,頻率計都開始下一次信號的頻率測量。3.2系統(tǒng)初始化模塊系統(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測量模塊等各種功能模塊組成(見圖4)。上電后,進入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開始運行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運行流程分別調(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。3.3浮點數(shù)的運算8031系列單片機屬于微控制器,由于其CPU字長和指令功能的限制,它適用于控制領(lǐng)域,在信號處理方面不很擅長。在本頻率計中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量結(jié)果的準確,這里應(yīng)用了浮點數(shù)數(shù)學運算。從周期到頻率的換算過程包括:3字節(jié)定點數(shù)到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點數(shù)數(shù)學運算和浮點數(shù)到BCD碼的轉(zhuǎn)換。由于通過多次的轉(zhuǎn)換,整個換算過程精度還不是很高,通過實測,精度大約為千分之二左右。4計數(shù)法測頻誤差的測量精度為了衡量這次設(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,用這次設(shè)計的頻率計對信號源進行了測量,測量數(shù)據(jù)如表1所示。如圖3信號予處理電路所示,待測信號在進入單片機之前經(jīng)過了10×2次分頻。頻率計以進入單片機時的信號頻率等于100Hz為基準,既待測信號頻率等于2KHz為基準,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)誤差和閘門誤差兩部分。誤差表達式為df/f=|dN/N|+|dt/t|這里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,誤差一般可小于10-6。當僅顯示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,待測信號頻率大于2KHz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。當待測信號頻率小于2KHz時,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為:dT/T=|dN/N|+|dτ0/τ0|這里dN/N為量化誤差,dτ0/τ0為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進行周期測量時進入單片機的信號頻率小于100Hz,使用12MHz時鐘這時的最小計數(shù)值為10000。當僅