C8051F041的高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

0 概述

頻率測(cè)量是電子測(cè)量中最基本的測(cè)量之一。隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)頻率測(cè)量的精度要求越來越高。目前采用的測(cè)頻方法有直接測(cè)頻法、直接測(cè)周法和等精度測(cè)頻法。直接測(cè)頻法在高頻段的精度較高。但在低頻段的精度較低；直接測(cè)周法則恰恰相反。而等精度測(cè)量法則可在整個(gè)頻率測(cè)量范圍內(nèi)保持恒定的測(cè)量精度，且測(cè)量精度也較高。

C8051F單片機(jī)是SoC芯片，其內(nèi)核是CIP-51微控制器。CIP-51采用流水線指令結(jié)構(gòu)，指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051指令集完全兼容。且不再區(qū)分系統(tǒng)時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，所有指令時(shí)序都以時(shí)鐘周期計(jì)算，大部分指令只需1～2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘即可完成。因而其運(yùn)算速度明顯高于傳統(tǒng)8051單片機(jī)。為此，本文給出了基于C8051F單片機(jī)和一些外圍電路的等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案。

1等精度頻率測(cè)量的基本原理

等精度頻率測(cè)量又叫多周期同步測(cè)量，它是將待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器．它的實(shí)際閘門時(shí)間不是固定值，而是待測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，故可消除對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的量化誤差(±1誤差)，其精度僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)。等精度測(cè)頻系統(tǒng)主要由待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器、同步閘門控制器、預(yù)置時(shí)間控制器以及運(yùn)算單元等組成。測(cè)量的基本流程是在發(fā)出測(cè)量觸發(fā)信號(hào)后，由同步閘門控制器在預(yù)置時(shí)間控制器產(chǎn)生預(yù)選閘門控制信號(hào)，再由待測(cè)信號(hào)觸發(fā)同步，以形成真正的預(yù)置測(cè)量時(shí)間，然后同時(shí)控制兩個(gè)計(jì)數(shù)器，并分別對(duì)待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。等精度測(cè)量頻率的原理如圖1所示。其待測(cè)信號(hào)頻率可由下式計(jì)算：



式中：Nx為待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值，N0為參考信號(hào)計(jì)數(shù)值，fx為待測(cè)信號(hào)頻率值，f0為參考信號(hào)頻率值。

2 頻率計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將待測(cè)信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)及產(chǎn)生預(yù)置時(shí)間、計(jì)算頻率值等功能完全用C8051F04l單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因而簡(jiǎn)化了測(cè)量電路。整個(gè)頻率測(cè)量系統(tǒng)包括放大整形、LCD液晶顯示、鍵盤控制和串口RS232通信電路等。系統(tǒng)選用高精度的標(biāo)準(zhǔn)10MHz石英晶振作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，以保證測(cè)頻精度。圖2所示是系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)框圖。



2.1 C8051F041單片機(jī)

本系統(tǒng)中的C8051F041單片機(jī)是一款全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有32個(gè)數(shù)字I／O引腳和高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，以及64 KB在片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器，同時(shí)片內(nèi)還集成了一個(gè)CAN2.0B控制器、5個(gè)通用16位定時(shí)器、真正12位100 ksps的ADC、兩個(gè)12位DAC以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和兩個(gè)UART串行接口。

2.2 硬件電路

系統(tǒng)硬件主要由放大整形電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、RS232串口等部分組成。放大整形電路主要對(duì)待測(cè)信號(hào)(如正弦波、三角波、鋸齒波、方波等)進(jìn)行幅值放大，施密特整形為TTL電平的矩形波，同時(shí)去除噪聲干擾。鍵盤電路采用獨(dú)立鍵盤，可控制測(cè)頻的啟停和數(shù)據(jù)是否上傳等。液晶顯示電路采用16×2字符的LCD1602液晶顯示，可配置成8位接口方式，以對(duì)測(cè)量頻率進(jìn)行同步顯示。測(cè)量數(shù)據(jù)可通過RS232串口上傳至上位機(jī)，并在上位機(jī)軟件中保存。這種方式特別適用于長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)量頻率值的場(chǎng)合。

3 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

本系統(tǒng)的軟件部分包括C8051F041單片機(jī)的主控程序和上位機(jī)軟件。

3.1 C8051F041主控程序

主控程序可用C語言編寫，采用定時(shí)器T2作為預(yù)置門控制器時(shí)間，定時(shí)器T1用于串口通信，計(jì)數(shù)器C3作為待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器C4作為基準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器。在主控程序中，可將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)值N0定義為unsigned long int型變量，其計(jì)數(shù)范圍為0～(232-1)，即0～4.294967295×109。圖3所示是其主程序流程圖。



3.2 上位機(jī)VB軟件

為了提高測(cè)量頻率值的可分析性，本系統(tǒng)利用VB6.0提供的、用于RS232串行通信的MSCOMM．OCX控件來編寫上位機(jī)串口數(shù)據(jù)的采集和測(cè)頻值的保存軟件。軟件可實(shí)時(shí)讀取單片機(jī)測(cè)得的頻率值，并在PC機(jī)顯示。同時(shí)該軟件還可將測(cè)量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)時(shí)間共同保存，以便于多次測(cè)量時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和分析計(jì)算。

4 結(jié)束語

本頻率計(jì)在0～10 MHz的頻率范圍內(nèi)具有相同的測(cè)量精度。考慮到測(cè)頻的精度和穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源應(yīng)選用精度為10-8的10 MHz標(biāo)準(zhǔn)石英晶振，以提高測(cè)頻精度，同時(shí)也可縮短測(cè)頻時(shí)間。此外，利用C8051F單片機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，將等精度測(cè)頻系統(tǒng)的主要部分用C8051F041實(shí)現(xiàn)。也簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，縮短了測(cè)頻時(shí)間，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。