基于單片機(jī)高性價(jià)比頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以8051單片機(jī)為核心，應(yīng)用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能并采用led顯示器實(shí)時(shí)地將所測(cè)頻率顯示出來(lái)，既滿足測(cè)量的精度要求, 又具有很好的性能價(jià)格比。 　　1 系統(tǒng)測(cè)量原理 測(cè)量方法采用多周期同步測(cè)量法，保證了測(cè)量精度?！　《嘀芷谕綔y(cè)量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測(cè)量原理不同，時(shí)鐘信號(hào)(f0)經(jīng)同步電路作用后與被測(cè)信號(hào)同步。主門 與主門 在時(shí)間t 內(nèi)被同時(shí)打開(kāi)，于是計(jì)數(shù)器 和計(jì)數(shù)器 便分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì)。在t內(nèi)，事件計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為na；時(shí)間計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為nb。再由單片機(jī)運(yùn)算得出被測(cè)頻率為（na/nb）×f。由于d觸發(fā)器的同步作用，計(jì)數(shù)器 所記錄的na值已不存正負(fù)1誤差的影響。但由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系，計(jì)數(shù)器 所記錄的nb值仍存在正負(fù)1誤差的影響，由于時(shí)鐘頻率很高，正負(fù)1誤差影響小，所以測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的?！　? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　　在頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，硬件電路采用了8051單片機(jī)、雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls393、緩存器74ls244、8155帶ram和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的可編程并行接口芯片、16k程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片2716、十倍分頻器74s196、反向器74ls14、反向驅(qū)動(dòng)器7406、7407等。所采用的芯片技術(shù)成熟，性能可靠，性價(jià)比較高?！　∠到y(tǒng)硬件主要由四部分組成:通道部分、計(jì)數(shù)器部分、單片機(jī)控制和接口部分、顯示部分?！　?.1通道部分　　本頻率計(jì)的輸入通道由兩部分組成，第一部分就是常見(jiàn)的信號(hào)預(yù)處理電路，包括對(duì)被測(cè)信號(hào)的放大、整形、濾波等等。第一級(jí)由開(kāi)關(guān)三極管構(gòu)成的零偏置放大器，三極管采用開(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)是由74ls14施密特觸發(fā)器構(gòu)成的電路。施密特觸發(fā)器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的單相脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與ttl/cmos兼容的方波信號(hào)。另一方面其滯后帶寬可以有效抑制信號(hào)中的干擾。第三級(jí)是由74ls196構(gòu)成的分頻器電路。本機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)頻范圍20hz～100mhz，當(dāng)被測(cè)頻率大于10 mhz時(shí)，需經(jīng)分頻電路分頻后再送入計(jì)數(shù)器電路。第四級(jí)是由4n25構(gòu)成的光電隔離電路，用于把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而把測(cè)量電路與外界干擾隔開(kāi)，能有效地保證測(cè)量精度?！　〉诙糠质峭介T電路，它的作用是保證被測(cè)信號(hào)和頻率基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入測(cè)量電路。其構(gòu)成主要包括由與門組成的主門i和主門ii，以及由d觸發(fā)器構(gòu)成的同步門控制電路，主門i控制被測(cè)信號(hào)fx的通過(guò)，主門ii控制時(shí)鐘信號(hào)f的通過(guò)?！　?.2計(jì)數(shù)器部分　　計(jì)數(shù)器包括時(shí)間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器兩部分，它們是完全相同的計(jì)數(shù)電路。分別由前后兩級(jí)組成，前級(jí)電路由高速的ttl計(jì)數(shù)器74ls393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級(jí)由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)前，先由p1.3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，計(jì)數(shù)后通過(guò)74ls244 緩沖器將測(cè)量結(jié)果讀入內(nèi)存。這樣設(shè)計(jì)既充分利用了硬件資源，又大大提高了測(cè)量頻率范圍?！　?.3 單片機(jī)控制和接口部分　　8051單片機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行整機(jī)測(cè)量過(guò)程的控制、故障的自動(dòng)檢測(cè)以及測(cè)量結(jié)果的處理與顯示等?！　1口與p2 口被用于施加各種控制信號(hào)，其中：p1.0 作為預(yù)置閘門時(shí)間的控制線；p1.1作為同部門控制電路的復(fù)位信號(hào)線；p1.2用于查詢閘門時(shí)間的狀態(tài)線；p1.3作為計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)線。　　單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位二進(jìn)制定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用做兩個(gè)主計(jì)數(shù)器的一部分，并通過(guò)t0,t1分別與外部事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接。外部的時(shí)間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器的測(cè)量結(jié)果分別通過(guò)擴(kuò)展輸入口與p0口相連?！　?155作為單片機(jī)的擴(kuò)展i/o口，主要用來(lái)與顯示電路接口， 8155內(nèi)部的14 位計(jì)數(shù)器被用來(lái)作為本機(jī)的閘門時(shí)間計(jì)數(shù)器，定時(shí)器的輸入信號(hào)取自單片機(jī)ale端；定時(shí)器的輸出與單片機(jī)的int1相連，作為中斷信號(hào)?！　?.4 顯示部分　　采用8 位led數(shù)碼管進(jìn)行顯示。這是一個(gè)較為典型的采用8155并行口組成的顯示電路。八位led顯示采用了動(dòng)態(tài)顯示軟件譯碼工作方式。led顯示器選用共陰極，段碼由8155pa口提供，位選碼8155pb口提供。其中7406反向驅(qū)動(dòng)器做作為位選碼驅(qū)動(dòng)器，這是因?yàn)?155pb口正邏輯輸出的位控與共陰極led要求的低電平點(diǎn)亮正好相反，即當(dāng)pb口位控線輸出高電平時(shí)，點(diǎn)亮一位led。7407是同相驅(qū)動(dòng)器，作段選碼驅(qū)動(dòng)器?！　? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括中斷監(jiān)控服務(wù)程序，數(shù)值比較子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序，led顯示子程序。主流程圖如下：　　程序編寫(xiě)較難的部分是數(shù)據(jù)處理部分，它涉及到多字節(jié)的乘除法。因?yàn)槌藬?shù)和被乘數(shù)各為三字節(jié)，因此需要進(jìn)行九次乘法運(yùn)算，得到九個(gè)部分積。我們知道m(xù)ul ab 指令，把累加器a和寄存器b中的兩個(gè)無(wú)符號(hào)8位數(shù)相乘，所得的16位乘積結(jié)果，低位字節(jié)放在a中，高位字節(jié)放在b中。假定部分積的高字節(jié)以“h ”