基于a89c51單片機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于a89c51單片機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)總結(jié)1.1系統(tǒng)的硬件框圖頻率計(jì)由89c51組成，信號(hào)處理電路、矩陣通信電路、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。其中，信號(hào)處理電路包括對(duì)測(cè)量信號(hào)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(hào)予處理電路中的放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大,降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求;波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào);分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)的頻率測(cè)量范圍并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量和周期測(cè)量使用統(tǒng)一的輸入信號(hào)。系統(tǒng)軟件包括測(cè)量初始化模塊、顯示模塊、信號(hào)頻率測(cè)量模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)周期測(cè)量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)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(cè)量反應(yīng)時(shí)間的設(shè)計(jì)本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心,利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89C51內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí),每個(gè)機(jī)器周期加1(使用12MHz時(shí)鐘時(shí),每1us加1),這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí),在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1,這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次,這樣檢測(cè)一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期),所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1/24(使用12MHz時(shí)鐘時(shí),最大計(jì)數(shù)速率為500KHz)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位TR控制,當(dāng)TR置1,定時(shí)/計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù);當(dāng)TR清0,停止計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求。例如當(dāng)要求頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字,這時(shí)如果待測(cè)信號(hào)的頻率為1Hz,則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度必須大于1000s。為了兼顧頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求,把測(cè)量工作分為兩種方法。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率大于100Hz時(shí),定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器,以機(jī)器周期為基準(zhǔn),由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門(mén),這時(shí)要滿足頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字,則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度大于1s即可。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率小于100Hz時(shí),定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成為定時(shí)器,由頻率計(jì)的予處理電路把待測(cè)信號(hào)變成方波,方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期。用方波作計(jì)數(shù)閘門(mén),當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率等于100Hz,使用12MHz時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10000,完全滿足測(cè)量精度的要求。1.3測(cè)量過(guò)程的工作過(guò)程在使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí),這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源,利用軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)閘門(mén)。頻率計(jì)的工作過(guò)程為:首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0,運(yùn)行控制位TR置1,啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器;然后運(yùn)行軟件延時(shí)程序,同時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)外部的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),延時(shí)結(jié)束時(shí)TR清0,停止計(jì)數(shù);最后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí),這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的予處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波,該方波同樣加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過(guò)程為:首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0,然后檢測(cè)方波高電平是否加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳;當(dāng)判定高電平加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳,運(yùn)行控制位TR置1,啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù),同時(shí)檢測(cè)方波高電平是否結(jié)束;當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí)TR清0,停止計(jì)數(shù),然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法,即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用5位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果:前3位為測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字;第4位為指數(shù)的符號(hào);第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測(cè)量結(jié)果的顯示精度,又保證了測(cè)量結(jié)果的顯示范圍(0.100Hz-9.99MHz)。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開(kāi)始。由于只顯示3位有效數(shù)字,在測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)閘門(mén)不需要太寬,例如在10.0KHz-99.9KHz頻率范圍,計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為10mS即可。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量,并使計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為最窄,完成測(cè)量后判斷測(cè)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(jì)數(shù)閘門(mén)寬度擴(kuò)大10倍,繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷,直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1s,這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz-999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字,頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期,這種方法只設(shè)一種量程,測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值,再將結(jié)果送去顯示。這樣無(wú)論采用何種方式,只要完成一次測(cè)量即可,頻率計(jì)自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)測(cè)量循環(huán),因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1測(cè)頻器的設(shè)計(jì)頻率計(jì)信號(hào)予處理電路如圖3所示,它由四級(jí)電路構(gòu)成。第一級(jí)為零偏置放大器,當(dāng)輸入信號(hào)為零或者為負(fù)電壓時(shí),三極管截止,輸出高電平;當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí),三極管導(dǎo)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(fù)交替波形變換成單向脈沖,這使得頻率計(jì)既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率,也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)小信號(hào)的測(cè)量,本電路可以測(cè)量幅度≥0.5V的正弦波或脈沖波待測(cè)信號(hào)。三極管應(yīng)采用開(kāi)關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級(jí)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(jí)采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160,第二級(jí)輸出的方波加到74160的CLK,當(dāng)從74160的TC輸出可實(shí)現(xiàn)10分頻(多個(gè)74160的級(jí)連可以進(jìn)一步擴(kuò)展測(cè)頻范圍)。第四級(jí)同樣采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160,第三級(jí)輸出的方波加到它的CLK,從它的Q0輸出即可實(shí)現(xiàn)2分頻,且其輸出為對(duì)稱(chēng)方波,方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期,從而為測(cè)量信號(hào)周期提供基礎(chǔ)。2.2顯示電路模塊頻率測(cè)量電路選用89C51作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。89C51包含2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)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(chǔ)器。16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。同步移位寄存器方式的串行輸入/輸出口用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。4K×8位片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51與具有更大程序存儲(chǔ)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(jí)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。2.3測(cè)量數(shù)據(jù)顯示顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)譯碼,通過(guò)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(shí)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(shí)鐘,送至74164的時(shí)鐘輸入口CP。74164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),進(jìn)行鎖存。74164輸出的8位并行數(shù)據(jù)送至8段LED,實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jī)可以進(jìn)行下一次測(cè)量。這種方法也便于對(duì)顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。3軟件設(shè)計(jì)3.1浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算過(guò)程在頻率計(jì)開(kāi)始工作,或者完成一次頻率測(cè)量,系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)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(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式,即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。在對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0后,置運(yùn)行控制位TR為1,啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門(mén)由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn),從計(jì)數(shù)閘門(mén)的最小值開(kāi)始,也就是從測(cè)量頻率的高量程開(kāi)始。計(jì)數(shù)閘門(mén)結(jié)束時(shí)TR清0,停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的值通過(guò)16進(jìn)制數(shù)到10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)。對(duì)10進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別,若該位不為0,滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求,測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊;若該位為0,將計(jì)數(shù)閘門(mén)的寬度擴(kuò)大10倍,重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù),直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測(cè)量判斷過(guò)程直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1s,這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz-999Hz,如果測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字,頻率計(jì)則使用定時(shí)方法測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作這時(shí)被設(shè)置為定時(shí)器方式,在對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0后,判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿是否到來(lái)。待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后,置運(yùn)行控制位TR為1,以單片機(jī)工作周期為單位,啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。然后判斷待測(cè)信號(hào)的下跳沿是否到來(lái),待測(cè)信號(hào)的下跳沿到來(lái)后,運(yùn)行控制位TR清0,停止計(jì)數(shù)。16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535,這樣在待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí),定時(shí)/計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)/計(jì)數(shù)器將溢出,程序進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。待測(cè)信號(hào)的周期由3個(gè)字節(jié)組成:定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器的高8位和低8位。信號(hào)的頻率f與信號(hào)的周期T之間的關(guān)系為:f=1/T完成信號(hào)的周期測(cè)量后,需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度,這里采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)用3個(gè)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(cè)信號(hào)周期的3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過(guò)截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)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(duì)其進(jìn)行處理,獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值。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(hào)頻率值變換成本頻率計(jì)的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測(cè)信號(hào)的頻率值。無(wú)論從哪一種方式進(jìn)入顯示模塊,完成顯示后,頻率計(jì)都開(kāi)始下一次信號(hào)的頻率測(cè)量。3.2系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號(hào)頻率測(cè)量模塊等各種功能模塊組成(見(jiàn)圖4)。上電后,進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開(kāi)始運(yùn)行。在執(zhí)行過(guò)程中,根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成頻率測(cè)量、量程自動(dòng)切換、周期測(cè)量和測(cè)量結(jié)果顯示。3.3浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算8031系列單片機(jī)屬于微控制器,由于其CPU字長(zhǎng)和指令功能的限制,它適用于控制領(lǐng)域,在信號(hào)處理方面不很擅長(zhǎng)。在本頻率計(jì)中需要完成周期到頻率的換算,為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確,這里應(yīng)用了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過(guò)程包括:3字節(jié)定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼的轉(zhuǎn)換。由于通過(guò)多次的轉(zhuǎn)換,整個(gè)換算過(guò)程精度還不是很高,通過(guò)實(shí)測(cè),精度大約為千分之二左右。4計(jì)數(shù)法測(cè)頻誤差的測(cè)量精度為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作情況和測(cè)量精度,我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。以南京電訊儀器廠制造的E312B型通用計(jì)數(shù)器為基準(zhǔn),用這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對(duì)信號(hào)源進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。如圖3信號(hào)予處理電路所示,待測(cè)信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過(guò)了10×2次分頻。頻率計(jì)以進(jìn)入單片機(jī)時(shí)的信號(hào)頻率等于100Hz為基準(zhǔn),既待測(cè)信號(hào)頻率等于2KHz為基準(zhǔn),大于此頻率采用頻率測(cè)量,小于此頻率采用周期測(cè)量。由表1頻率測(cè)量對(duì)比表可以看出,頻率測(cè)量的測(cè)量精度大于周期測(cè)量的測(cè)量精度。采用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量,誤差來(lái)源主要有計(jì)數(shù)誤差和閘門(mén)誤差兩部分。誤差表達(dá)式為df/f=|dN/N|+|dt/t|這里N為計(jì)數(shù)值,t為閘門(mén)時(shí)間。閘門(mén)時(shí)間相對(duì)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(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時(shí),該項(xiàng)誤差可以忽略。對(duì)于dN/N部分,無(wú)論閘門(mén)時(shí)間長(zhǎng)短,計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在1個(gè)單位的量化誤差。在表1中,待測(cè)信號(hào)頻率大于2KHz時(shí)的誤差就來(lái)源于計(jì)數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項(xiàng)誤差的影響。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率小于2KHz時(shí),直接測(cè)量的是信號(hào)的周期。周期測(cè)量的誤差表達(dá)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(jìn)行周期測(cè)量時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)頻率小于100Hz,使用12MHz時(shí)鐘這時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10000。當(dāng)僅