基于CPLD與單片機(jī)的等精度頻率測(cè)量

1、第29卷第2期Vol 29 No 2長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Changchun Normal Universi ty(Natural Science2010年4月Apr.2010基于CPLD 與單片機(jī)的等精度頻率測(cè)量王曉峰(長(zhǎng)春大學(xué)電子信息工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130022摘 要應(yīng)用CPLD 技術(shù),已經(jīng)成為當(dāng)今實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)集成化的重要手段。本文介紹了基于CPLD 技術(shù)與單片機(jī)的等精度頻率測(cè)量的硬件實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)現(xiàn)了一種精度高和范圍廣的頻率測(cè)量電路。關(guān)鍵詞CPLD;等精度;頻率中圖分類號(hào)TP302 7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1008-178X(201002-0056-03收

2、稿日期2009-11-22作者簡(jiǎn)介王曉峰(1973-,男,吉林大安人,長(zhǎng)春大學(xué)電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,從事電子信息及自動(dòng)化控制研究。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,在很多物理量的測(cè)量中,經(jīng)常采用轉(zhuǎn)換的方法先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再使用比較熟悉的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,很多物理量都能夠轉(zhuǎn)換成頻率這樣一個(gè)數(shù)字量,如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。因此頻率的測(cè)量精度與物理量的測(cè)量精度息息相關(guān)。傳統(tǒng)的頻率測(cè)試方法使用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器或者使用可編程計(jì)數(shù)器8253配合單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。但是由于測(cè)量方法和器件本身的限制,這兩種方法的測(cè)量精度往往是很低的。本文論述了一種基于CPLD (大規(guī)模

3、可編程邏輯器件與單片機(jī)的等精度頻率測(cè)量方法。采用這種方法可使測(cè)量頻率范圍擴(kuò)大到0 1Hz100MHz 。頻率測(cè)量精度在測(cè)頻區(qū)域相對(duì)誤差恒為百萬(wàn)分之一。1 等精度頻率測(cè)量原理1 1 測(cè)量系統(tǒng)的組成測(cè)量系統(tǒng)主要由單片機(jī)和CPLD 構(gòu)成,此外還有鍵盤和顯示等輔助電路。鍵盤為人機(jī)接口部分,C PLD 主要進(jìn)行頻率測(cè)量,單片機(jī)產(chǎn)生必要的邏輯并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算,測(cè)量結(jié)果可由LED 顯示器顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1 2 等精度測(cè)量原理等精度頻率測(cè)量采用比較法進(jìn)行測(cè)量,首先要有一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào),然后在相同的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率信號(hào)和被測(cè)頻率信號(hào)分別計(jì)數(shù),得到兩個(gè)計(jì)數(shù)值。設(shè)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率信號(hào)的頻率為Fs,

4、計(jì)數(shù)值為Ns,被測(cè)頻率信號(hào)的頻率為Fx,計(jì)數(shù)值為Nx 。按照比較法的思想,下式一定成立:Fx/Nx=Fs/Ns.不難得到測(cè)得的頻率為:Fx=(Fs/Ns Nx.其中基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)可以由石英晶體振蕩器提供;計(jì)數(shù)時(shí)間的控制信號(hào)由單片機(jī)提供,經(jīng)過(guò)與被測(cè)頻率的同步,產(chǎn)生最終的控制信號(hào)。在這里,兩個(gè)信號(hào)的同步是必須的,這樣可以減少在計(jì)數(shù)過(guò)程中被測(cè)頻率丟失的脈沖個(gè)數(shù),提高測(cè)量精度。測(cè)頻原理的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2 系統(tǒng)功能仿真2 1 CPLD 器件的選擇56 圖3 功能仿真波形目前,生產(chǎn)CPLD器件的廠商有很多。在綜合考慮試驗(yàn)條件等各方面因素后,我們決定選用Alter公司的產(chǎn)品。Alter公司的C PLD器

5、件是迄今成本最低的CPLD,其中MAXplusII器件采用了全新的CPLD體系結(jié)構(gòu),在所有CPLD系列中單位I/O成本最低,功耗最低。2 2 功能仿真在MAXplusII軟件中,可以使用原理圖、VHDL、Verilog等硬件描述語(yǔ)言開發(fā)CPLD。為了使設(shè)計(jì)更加靈活,我們使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真。部分仿真波形如圖3所示。573 結(jié)束語(yǔ)本文論述了采用等精度法進(jìn)行頻率測(cè)量的新方法,與傳統(tǒng)測(cè)量方法比較,極大地提高了頻率測(cè)量的范圍和精度。此外,由于系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器,因此在測(cè)量頻率的同時(shí),還可以測(cè)量周期、脈寬、占空比等,拓寬了應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)1譚會(huì)生,張昌凡.EDA技術(shù)及

6、應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.2潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程M.北京:科學(xué)出版社,2002.3邊計(jì)年,薛宏熙.用VHDL設(shè)計(jì)電子線路M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.Frequency Measurement in view of CPLD and Monolithic Processor Equal PrecisionW ANG Xiao-feng(Electron and Infor mation Engineering College of Changchun University,Changchun130022,ChinaAbstract:Applying the technology of C PLD is an important method to achieve electron system!s inte grations.The passage introduces the hardware!s achieving scheme of frequency measurement in view of CPLD!s and monolithic processor!s equal precision.It brings about a kind of frequency measuremen