[導讀]采用CPLD配合單片機的設(shè)計方案，具有造價較低、速度高、精度高的優(yōu)點，并且可以通過軟件下載而達到儀器硬件升級的目的。
在電子測量技術(shù)中，測頻測相是最基本的測量之一。相位測量儀是電子領(lǐng)域的常用儀器，當前測頻測相主要是運用等精度測頻、PLL鎖相環(huán)測相的方法。研究發(fā)現(xiàn)，等精度測頻法具有在整個測頻范圍內(nèi)保持恒定的高精度的特點，但是該原理不能用于測量相位。PLL鎖相環(huán)測相可以實現(xiàn)等精度測相，但電路調(diào)試較復雜。因此，選擇直接測相法作為低頻測相儀的測試方法[1、2、3、4]。
設(shè)計的低頻測相儀，滿足以下的技術(shù)指標：a .頻率20-20KHz；b .輸入阻抗≥100KΩ；c.相位測量絕對誤差≤1度； d.具有頻率測量和數(shù)字顯示功能；e.顯示相位讀數(shù)為0度--359度。
1系統(tǒng)工作原理
圖1 測頻測相系統(tǒng)原理框圖
Figure 1 frame of measure frequency phase system
系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)運行時，首先由單片機通過clr控制線送清零信號，啟動CPLD的計數(shù)模塊，在設(shè)計的CPLD內(nèi)部控制模塊作用下，記錄AB兩相的相差間隔時間內(nèi)的標頻個數(shù)（測相計數(shù)器），同時也記錄下A相一個周期內(nèi)的標頻個數(shù)（測頻計數(shù)器），此后測頻和測相計數(shù)器處于保持狀態(tài)，同時送出right信號表明完成測頻測相的計數(shù)，單片機可以讀數(shù)據(jù)。
單片機和CPLD的數(shù)據(jù)采用獨立接口方式，這樣設(shè)計比較靈活，可以不受單片機總線時序的影響。由ADD[0..2]進行控制，分別讀取測頻測相計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，并存于單片機中，進行后續(xù)的計算。單片機完成數(shù)據(jù)的運算后，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10進制，送到顯示板進行顯示。顯示板共有8個數(shù)碼管，其中，前5位用于顯示頻率（最大為20000Hz）,后三位顯示相位（最大為359度）。
在CPLD設(shè)計中，根據(jù)計算，選取測頻、測相計數(shù)器長度均為19位，在標頻信號為10MHz時，相位測量精度小于1度。若只用89C51，其自帶的計數(shù)器只有16位，且不易同時實現(xiàn)測頻測相的功能。故選用CPLD實現(xiàn)其測頻測相的計數(shù)功能，并設(shè)計了獨立的數(shù)據(jù)接口，以便與單片機交換數(shù)據(jù)[5、6]。
2 CPLD測頻測相模塊工作原理
圖2 CPLD測頻測相內(nèi)部原理框圖
如圖2所示，利用VHDL語言設(shè)計了完成測頻測相計數(shù)功能的數(shù)字芯片。整個芯片由測頻計數(shù)器、測相計數(shù)器、控制部分、數(shù)據(jù)選擇器和測試用分頻器5個部分組成。
控制部分主要是利用狀態(tài)機原理，設(shè)計了檢測一個測頻周期的控制電路。在clr信號為高時，啟動測頻測相計數(shù)器，此時，狀態(tài)機處于計數(shù)工作狀態(tài)；當A相第一個上升沿到來時，測頻測相計數(shù)器同時啟動，開始計數(shù)；當B相第一個上升沿到來時，控制部分控制測相計數(shù)器停止計數(shù)；當A相第二個上升沿到來時，控制部分控制測頻計數(shù)器停止計數(shù)，同時送出計數(shù)完成信號right；此后測頻測相計數(shù)器處于保持狀態(tài)。
單片機讀數(shù)時，通過設(shè)置add[0..2]數(shù)據(jù)選擇器的地址選通端，依次送出測頻計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，8位一組，從xcout[0..7]端口送出，單片機需分3次讀完測頻計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選通端設(shè)置為001，010，011；同理，單片機也需分3次讀完測相計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選通端設(shè)置為100，101，110。
為了測試方便，設(shè)計了測試用分頻器，該分頻器系數(shù)可以在VHDL源程序中改動，如為1000，則將測試時用的標頻信號10M進行1000分頻，分頻后頻率為10KHz，正好處于20-20KHz范圍內(nèi)。
3 單片機程序
如圖3所示，系統(tǒng)上電后，首先由單片機送出清零信號，啟動CPLD中的測頻測相計數(shù)器，CPLD進行測頻測相的計數(shù)，單片機查詢到right=1，則表明計數(shù)器完成計數(shù)工作，開始讀取CPLD中的數(shù)據(jù)。否則，就等待。單片機通過控制CPLD中數(shù)據(jù)選擇器的地址選通端add[0..7]，分別讀取測頻、測相計數(shù)器的19位數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的計算。計算中首先調(diào)用頻率計算子程序，計算出相應(yīng)的頻率，然后再調(diào)用相位計算子程序，計算出相應(yīng)的相位，再調(diào)用進制轉(zhuǎn)換程序，將16進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成10進制，最后調(diào)用顯示子程需，在8位數(shù)碼管中顯示出測量的頻率、相位值。由于篇幅關(guān)系，此處不再詳述具體程序和顯示部分的設(shè)計。
4 結(jié)束語
由單片機晶振產(chǎn)生的6M信號，經(jīng)過一個與非門整形為矩形脈沖，再經(jīng)過CPLD7128的內(nèi)部設(shè)計的分頻器分頻（分頻系數(shù)為1000、2000、3000、4000），由該系統(tǒng)進行測頻測相。AB二相的信號加上一個反相器，則從理論上講，相位相差180度。實際測量結(jié)果為，頻率分別是6000、3000、2000、1500Hz，相位為180度，與理論完全符合。利用DDS數(shù)字移相信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率和相位差的信號實測證實，該系統(tǒng)指標符合設(shè)計要求。
隨著EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)和微電子技術(shù)的進步，CPLD的時鐘延遲可達到 級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實時測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景；并且CPLD&FPGA具有高集成度、高可靠性，幾乎可將整個設(shè)計系統(tǒng)下載于同一芯片中，實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)(SOPC)，從而大大縮小其體積，具有可編程型和實現(xiàn)方案容易改動的特點，有利于產(chǎn)品的研制和后期升級[7]。
CPLD7128大約有128個觸發(fā)器，程序中AB兩相計數(shù)器共用了19+19=38個，控制部分用了4個，還剩下了大約128-42=86個（其他模塊還有少量的占用）。 CPLD7128的計數(shù)頻率最高可175.4MHz，若提高標頻信號的頻率為175 MHz，同時增加計數(shù)器的長度，則測相精度從理論上講可以達到0.04度。
采用CPLD配合單片機的設(shè)計方案，具有造價較低、速度高、精度高的優(yōu)點，并且可以通過軟件下載而達到儀器硬件升級的目的。
設(shè)計的低頻測相儀，滿足以下的技術(shù)指標：a .頻率20-20KHz；b .輸入阻抗≥100KΩ；c.相位測量絕對誤差≤1度； d.具有頻率測量和數(shù)字顯示功能；e.顯示相位讀數(shù)為0度--359度。
1系統(tǒng)工作原理
圖1 測頻測相系統(tǒng)原理框圖
Figure 1 frame of measure frequency phase system
系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)運行時，首先由單片機通過clr控制線送清零信號，啟動CPLD的計數(shù)模塊，在設(shè)計的CPLD內(nèi)部控制模塊作用下，記錄AB兩相的相差間隔時間內(nèi)的標頻個數(shù)（測相計數(shù)器），同時也記錄下A相一個周期內(nèi)的標頻個數(shù)（測頻計數(shù)器），此后測頻和測相計數(shù)器處于保持狀態(tài)，同時送出right信號表明完成測頻測相的計數(shù)，單片機可以讀數(shù)據(jù)。
單片機和CPLD的數(shù)據(jù)采用獨立接口方式，這樣設(shè)計比較靈活，可以不受單片機總線時序的影響。由ADD[0..2]進行控制，分別讀取測頻測相計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，并存于單片機中，進行后續(xù)的計算。單片機完成數(shù)據(jù)的運算后，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10進制，送到顯示板進行顯示。顯示板共有8個數(shù)碼管，其中，前5位用于顯示頻率（最大為20000Hz）,后三位顯示相位（最大為359度）。
在CPLD設(shè)計中，根據(jù)計算，選取測頻、測相計數(shù)器長度均為19位，在標頻信號為10MHz時，相位測量精度小于1度。若只用89C51，其自帶的計數(shù)器只有16位，且不易同時實現(xiàn)測頻測相的功能。故選用CPLD實現(xiàn)其測頻測相的計數(shù)功能，并設(shè)計了獨立的數(shù)據(jù)接口，以便與單片機交換數(shù)據(jù)[5、6]。
2 CPLD測頻測相模塊工作原理
圖2 CPLD測頻測相內(nèi)部原理框圖
如圖2所示，利用VHDL語言設(shè)計了完成測頻測相計數(shù)功能的數(shù)字芯片。整個芯片由測頻計數(shù)器、測相計數(shù)器、控制部分、數(shù)據(jù)選擇器和測試用分頻器5個部分組成。
控制部分主要是利用狀態(tài)機原理，設(shè)計了檢測一個測頻周期的控制電路。在clr信號為高時，啟動測頻測相計數(shù)器，此時，狀態(tài)機處于計數(shù)工作狀態(tài)；當A相第一個上升沿到來時，測頻測相計數(shù)器同時啟動，開始計數(shù)；當B相第一個上升沿到來時，控制部分控制測相計數(shù)器停止計數(shù)；當A相第二個上升沿到來時，控制部分控制測頻計數(shù)器停止計數(shù)，同時送出計數(shù)完成信號right；此后測頻測相計數(shù)器處于保持狀態(tài)。
單片機讀數(shù)時，通過設(shè)置add[0..2]數(shù)據(jù)選擇器的地址選通端，依次送出測頻計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，8位一組，從xcout[0..7]端口送出，單片機需分3次讀完測頻計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選通端設(shè)置為001，010，011；同理，單片機也需分3次讀完測相計數(shù)器中的19位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選通端設(shè)置為100，101，110。
為了測試方便，設(shè)計了測試用分頻器，該分頻器系數(shù)可以在VHDL源程序中改動，如為1000，則將測試時用的標頻信號10M進行1000分頻，分頻后頻率為10KHz，正好處于20-20KHz范圍內(nèi)。
3 單片機程序
如圖3所示，系統(tǒng)上電后，首先由單片機送出清零信號，啟動CPLD中的測頻測相計數(shù)器，CPLD進行測頻測相的計數(shù)，單片機查詢到right=1，則表明計數(shù)器完成計數(shù)工作，開始讀取CPLD中的數(shù)據(jù)。否則，就等待。單片機通過控制CPLD中數(shù)據(jù)選擇器的地址選通端add[0..7]，分別讀取測頻、測相計數(shù)器的19位數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的計算。計算中首先調(diào)用頻率計算子程序，計算出相應(yīng)的頻率，然后再調(diào)用相位計算子程序，計算出相應(yīng)的相位，再調(diào)用進制轉(zhuǎn)換程序，將16進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成10進制，最后調(diào)用顯示子程需，在8位數(shù)碼管中顯示出測量的頻率、相位值。由于篇幅關(guān)系，此處不再詳述具體程序和顯示部分的設(shè)計。
4 結(jié)束語
由單片機晶振產(chǎn)生的6M信號，經(jīng)過一個與非門整形為矩形脈沖，再經(jīng)過CPLD7128的內(nèi)部設(shè)計的分頻器分頻（分頻系數(shù)為1000、2000、3000、4000），由該系統(tǒng)進行測頻測相。AB二相的信號加上一個反相器，則從理論上講，相位相差180度。實際測量結(jié)果為，頻率分別是6000、3000、2000、1500Hz，相位為180度，與理論完全符合。利用DDS數(shù)字移相信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率和相位差的信號實測證實，該系統(tǒng)指標符合設(shè)計要求。
隨著EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)和微電子技術(shù)的進步，CPLD的時鐘延遲可達到 級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實時測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景；并且CPLD&FPGA具有高集成度、高可靠性，幾乎可將整個設(shè)計系統(tǒng)下載于同一芯片中，實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)(SOPC)，從而大大縮小其體積，具有可編程型和實現(xiàn)方案容易改動的特點，有利于產(chǎn)品的研制和后期升級[7]。
CPLD7128大約有128個觸發(fā)器，程序中AB兩相計數(shù)器共用了19+19=38個，控制部分用了4個，還剩下了大約128-42=86個（其他模塊還有少量的占用）。 CPLD7128的計數(shù)頻率最高可175.4MHz，若提高標頻信號的頻率為175 MHz，同時增加計數(shù)器的長度，則測相精度從理論上講可以達到0.04度。
采用CPLD配合單片機的設(shè)計方案，具有造價較低、速度高、精度高的優(yōu)點，并且可以通過軟件下載而達到儀器硬件升級的目的。
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