基于PC104總線和CPLD的測頻模件設(shè)計

摘要：根據(jù)某測試系統(tǒng)的需要，設(shè)計基于PCl04總線和CPLD的高精度測頻模件，采用多周期同步測頻法實現(xiàn)對所測頻段的等精度測量。設(shè)計了該測頻模件的硬件電路，并給出用CPLD實現(xiàn)數(shù)字頻率計的詳細(xì)VHDL源代碼。采用原理圖的方式編寫PC104總線的接口邏輯，并利用Max+P-lusⅡ軟件進行仿真。結(jié)果顯示頻率計及接口邏輯均可正確工作。實際應(yīng)用表明，該測頻模件具有精度高，可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：PCl04；CPLD；多周期同步測頻；VHDL

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是在各種系統(tǒng)的自動化測試領(lǐng)域。頻率測試是測試系統(tǒng)中的重要測試項目，在此設(shè)計一種基于PC104嵌入式計算機和CPLD的高精度測頻模件，以滿足對頻率量的測試。

1 測頻原理
    傳統(tǒng)的頻率測量方法有兩種：直接測頻法和測周期法。直接測頻法就是在給定的閘門信號中填入被測脈沖，通過必要的計數(shù)線路，得到填充脈沖的個數(shù)，從而算出待測信號的周期。它的主要缺點是存在被測脈沖的±1個誤差，難以兼顧低頻和高頻實現(xiàn)等精度測量，所以測量準(zhǔn)確度較低。測周期法是在一個信號周期內(nèi)記錄下基準(zhǔn)定時脈沖的個數(shù)，然后換算成頻率f。主要缺點是存在基準(zhǔn)脈沖的±1個誤差，適用于較低頻率的測量。
    多周期同步測頻方法是在直接測頻的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其特點在于測量過程中實際閘門時間不是固定值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號是同步的，因此消除了對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的±1個誤差，測量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個測量頻段的等精度測量。多周期同步測頻法的原理，如圖1所示。

    如圖1所示，首先，由控制線路給出閘門開啟信號，計數(shù)器等到被測信號的上升沿到來時，真正開始計數(shù)；然后，兩組計數(shù)器分別對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號計數(shù)。當(dāng)控制線路給出閘門關(guān)閉信號后，計數(shù)器等到被測信號下降沿到來時結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程?？梢钥闯觯瑢嶋H閘門與設(shè)定閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。被測頻率的計算方法為：
   
式中：Nx為被測信號的計數(shù)值；N0為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值；f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的頻率；τ為閘門時間，計數(shù)器的開閉與被測信號完全同步，即在實際閘門中包含整數(shù)個被測信號的周期，因而不存在對被測信號計數(shù)的±1個誤差。

2 硬件電路設(shè)計
    如圖2所示，該模件硬件主要包括PC104控制處理模塊、CPLD測試模塊、信號調(diào)理模塊、繼電器驅(qū)動模塊和高精度20 MHz晶振。在該系統(tǒng)中為了實現(xiàn)對多路頻率信號的測量，采用了通過繼電器控制來選擇信號的方案。通過CPLD控制繼電器的動作，接通不同的繼電器開關(guān)，被測信號通過繼電器之后，由6N137高速光電隔離器隔離、電平轉(zhuǎn)換之后送入CPLD進行測頻。由于CPLD的I／O口驅(qū)動電流較小，所以加了一級ULN2803驅(qū)動器來驅(qū)動繼電器的線包。CPLD主要完成的功能是實現(xiàn)數(shù)字頻率計，采用多周期同步測頻法完成對輸入信號頻率的測量，并通過與PC104的接口邏輯，將測量結(jié)果送給PC104主機，由主機進行頻率值的計算及顯示，從而完成整個測頻模件的功能，CPLD選用Altera公司的EPM7128SQCl00芯片。

3 軟件設(shè)計
3．1測頻電路程序設(shè)計
    對于CPLD的編程，一般有通過電路原理圖的方式和通過硬件描述語言即VHDL語言兩種方式。第一種方式直觀性強，較好理解，適用于小規(guī)模數(shù)字電路的設(shè)計；第二種方式具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可讀性強，適用于時序電路及大規(guī)模電路的設(shè)計。本文采用兩者相結(jié)合的方式，用VHDL語言實現(xiàn)數(shù)字頻率計的設(shè)計，用原理圖的方式實現(xiàn)了PC104主機的接口邏輯，并進行仿真。結(jié)果表明完全可以滿足功能需求，編譯環(huán)境為Max+PlusⅡ。
    以下為數(shù)字頻率計的VHDL語言源代碼。設(shè)計了兩個32位計數(shù)器，一個8位數(shù)據(jù)選擇器及一個觸發(fā)器控制閘門信號。
   
    以上程序通過軟件編譯后生成數(shù)字頻率計的邏輯功能模塊圖如圖3所示。以下是程序的仿真波形(見圖4)，標(biāo)準(zhǔn)頻率為20 MHz，被測信號頻率為O．1 MHz，仿真時間設(shè)為120μs。

    從仿真的結(jié)果可以看出，在定時脈沖CL到來時，計數(shù)器并沒有開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，START信號才開啟，計數(shù)器開始計數(shù)，定時脈沖結(jié)束時，計數(shù)器也是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù)，實現(xiàn)了多周期同步測頻。圖4中被測信號頻率的計算方法如式(1)所示。與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值相同，可以實現(xiàn)所需的功能。
3．2 PC104接口電路實現(xiàn)
    該設(shè)計中PC104接口電路部分在Max+PlusⅡ中用原理圖的方式實現(xiàn)。使用的PC104總線信號有地址線A0～A9、數(shù)據(jù)線D0～D7、讀寫信號線IOR／IOW、復(fù)位信號RESET、中斷信號IRQ3、地址允許線AEN。在PC104總線的接口電路部分遵循一個原則：就是輸出加鎖存，輸入加緩沖驅(qū)動。該接口電路示意如圖5所示，首先地址線的A3～A9位與外部波段開關(guān)設(shè)置地址及AEN信號通過譯碼電路中的比較器進行比較，若相同，則說明該模塊被選中，然后根據(jù)A0～A2的譯碼結(jié)果，結(jié)合讀寫信號線產(chǎn)生輸出鎖存器74HC273及輸入緩沖器74HC244的脈沖信號或使能信號，完成對數(shù)字頻率計及外部電路的讀寫及控制。在總線工作方式上采用中斷方式。設(shè)計中，將計數(shù)器的實際計數(shù)結(jié)束信號EEND作為總線的中斷觸發(fā)信號IRQ3，以此來提高PC104總線的工作效率。該接口邏輯的仿真結(jié)果如圖6所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，接口邏輯可以很好地控制外部繼電器的接通，產(chǎn)生清零及定時脈沖，并能正確地讀取數(shù)字頻率計的計數(shù)結(jié)果，實現(xiàn)模塊預(yù)定的功能。該接口邏輯已在實驗中得到了驗證。
3．3 PC104應(yīng)用程序設(shè)計
    在調(diào)試該模件時系統(tǒng)采用Windows。Me操作系統(tǒng)，編譯環(huán)境采用TC 3．0。主程序包括系統(tǒng)初始化、中斷初始化、接通繼電器及產(chǎn)生清零和定時脈沖模塊。在中斷服務(wù)程序中主要完成了讀取計數(shù)值、計算頻率值及顯示打印功能。它的程序流程圖如圖7所示，在此不再列出具體代碼列。

4 實驗結(jié)果
    實驗采用的方法是將板載的20 MHz的晶振在CPLD內(nèi)部分別進行2分頻和20分頻，得到10 MHz和1 MHz的信號，然后再將這兩個頻率信號分別進行2．4，6，8分頻，得到共9個被測信號，閘門時間為1 s，測試結(jié)果如表1所示。

    由測試結(jié)果可以看出，模件的測頻精度較高，完全能夠滿足一般性測試系統(tǒng)的需要。

5 結(jié)語
    采用多周期同步測頻技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了基于PC104總線和CPLD的測頻模件。給出硬件設(shè)計原理圖和數(shù)字頻率計的VHDL程序源代碼，PC104總線的接口邏輯電路，最后得出仿真結(jié)果，編制了PCl04總線應(yīng)用程序。實際應(yīng)用表明，該模件精度高，穩(wěn)定性好，能夠很好地完成對頻率量測試的任務(wù)。