基于单片机与CPLD的等精度数字频率计设计毕业设计.docx

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基于单片机与CPLD的等精度数字频率计设计毕业设计

基于单片机与CPLD的等精度

数字频率计设计

作者姓名：

指导教师：

单位名称：

专业名称：

DesignofEqualPrecisionFrequencyMeter

BasedonMicrocontrollerandCPLD

byWangXueliang

Supervisor:

AssociateProfessorLiJinghong

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

基于单片机与CPLD的等精度

数字频率计设计

设计（论文）的基本内容：

（1）电路设计。

包括待测信号的前端放大与整形电路设计、单片机主模块电路设计、单片机外围电路设计等。

（2）单片机汇编语言编写、调试与仿真测试。

在Keilμvision2下完成编写与调试，部分模块采用Keilμvision2与Proteus联合调试的方法。

（3）CPLD部分VerilogHDL代码编写与测试、仿真。

此部分在QuartusII9.1环境下完成，并通过Modelsim-Altera6.5b进行时序仿真。

毕业设计（论文）专题部分：

题目：

设计或论文专题的基本内容：

学生接受毕业设计（论文）题目日期

　　　　　　　　　　　　　第　1　周

指导教师签字：

2011年　3　月　5　日

基于单片机与CPLD的等精度数字频率计设计

摘要

数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性变化信号的频率的测量,是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。

目前市场上的频率计产品很多,但基本上都是采用专用计数芯片和数字逻辑电路组成，由于这些芯片本身的工作频率不高,从而限制了产品的工作频率的提高,远不能达到在一些特殊的场合需要测量很高的频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。

针对以上传统频率计存在的问题，本系统采用等精度测量方法，消除了被测信号产生的±1个字的量化误差。

采用单片机与CPLD结合的方式，解决了单片机测频范围限制的问题，同时利用单片机很好地开发了人机界面。

本系统基于单片机AT89C51和MAXII系列芯片EPM240T100C5，单片机部分采用汇编语言编写，负责频率计功能选择、定时、计数控制等；CPLD部分采用VerilogHDL语言编写，根据控制信号不同进行计数，并且输出计数值到单片机接口中。

本系统测量对象为方波、三角波、正弦波等等，测量范围为0.1Hz-50MHz输入信号经过放大整形后接入CPLD电路。

通过Proteus仿真软件测试，单片机部分很好地完成了预期设计，在QuartusII9.1平台下，完成了CPLD部分的软件设计、编译、调试和仿真，初步达到了预期目标。

关键词：

等精度，数字频率计，AT89C51，CPLD

DesignofEqualPrecisionFrequencyMeter

BasedonMicrocontrollerandCPLD

Abstract

Digitalfrequencymeterisusedtorealizethefrequencymeasurementoftheperiodicsignals,whichistheessentialequipmentinresearchandproductionareassuchascomputers,communicationequipments,audiosandvideosandsoon.Itisonekindofdigitalmeasuringinstrumentsusingdecimalnumberstoshowthefrequencyresultsanditsbasicfunctionistomeasurethesinusoidalsignal,squarewavesignal,andotherphysicalquantities.

Currently,therearemanyfrequencymeterproductsonthemarket,usingdedicatedcountchipsanddigitalcircuits,thefrequencyofthechipsthemselvesarenothigh,thuslimitingtheimprovementoftheoperatingfrequency,farfromtherequirementsofmeasuringhighfrequency,besides,accuracyaregreatlylimitedbythechipitself.

Tosolvetheaboveproblemsexistedinconventionalfrequencymeter,thesystemusesequalprecisionmeasurementmethodwhichcaneliminatethequantizationerror.CombinationofMCUandCPLD,thesystemhassolvedfrequencymeasurementlimitgeneratedbyusingMCU.Atthesametime,usingMCUhasdevelopedhuman-computerinterfaceverywell.

ThesystemisbasedonAT89C51microcontrollerandMAXIIserieschipEPM240T100C5.MCUpartiswritteninassemblylanguage,responsibleforthefunctionsselection,timing,CPLDcountingcontroloffrequencymeter;CPLDpartiswritteninVerilogHDLlanguageandcountsaccordingtodifferentcontrolsignalstransferedfromMCUpart,finally,CPLDpartwilloutputthecountresulttotheMCUpart.Themeasuredobjectsofthesystemaresquarewave,triangelwave,sinewave,etc.,inputsignalisshapedafteramplifying,measurementrangesfrom0.1Hzto50MHz.

TheMCUparthasreachedtheexpectedresultsbyusingProteussimulationtool,besides,intheQuartusII9.1platform,aftercodesdesign,compilation,debuggingandsimulation,CPLDparthasalsoachievedtheexpectedgoals.

Keywords：

EqualPrecision,FrequencyMeter,AT89C51,CPLD

第一章绪论

本章首先引出了频率计概述，接着介绍了频率计发展现状及研究概况、本课题的研究背景及主要研究意义，最后说明了本课题的主要内容。

1.1频率计概述

频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中[1]。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

1.2频率计发展现状及研究概况

目前国内外使用的测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、游标法、时间-电压变化法、多周期同步法、频率倍增法、频差倍增法以及相位比较法等等。

直接测频的方法较简单，但精度不高。

内插法和游标法都是采用模拟的方法，虽然精度提高了，但是电路设计却很复杂；时间-电压变化法是利用电容的充放电时间进行测量，由于经过A/D转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。

多周期同步法是精度较高的一种。

频率误差倍增法可以减小计数器的±1个字的误差，提高测量精度。

但用这种方法来提高测量精度是有限的，频差倍增—多周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。

这种方法是将被测信号和参考信号经经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，在通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。

但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。

由于社会发展和科技发展的需要，对信息传输和处理的要求不断提高，对频率的测量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。

而频率

测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。

当然，随着计算机软硬件技术的相继发展，针对每种测频方法的具体实现方式也各有千秋[2,3]。

以上只是对现存的几种主要的测频方法的概述，很显然从以上的分析中知道：

不同的测频方法在不同的应用条件下都具有一定的优势和劣势，具体设计中采用哪种测频方法，要结合工程实际综合考虑。

本系统采用等精度测频法，消除了被测信号产生的±个字的量化误差。

1.3本课题的研究背景及主要研究意义

在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的。

在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计[4]。

数字式测频的方法比较多,如直接法、直接与间接测量结合法、锁相法等等。

前2种测量方法均是基于主闸门与计数器的结构来实现测量的,它们在一定程度上存在着不足。

例如直接测量法,虽然其结构简单,但是由于计数器存在量化误差,从而使测量精度受到很大影响,有时甚至会造成100%的误差。

直接与间接测量结合法虽然在测量精度上比直接法有所改善,但是从根本上来说没有解决量化误差的问题,且结构也更为繁琐。

为了克服上述问题,设计的数字频率计采用多周期同步测量法进行等精度测频、测周期、测脉宽和占空比,它从根本上消除了计数器量化误差,极大提高了测量精度。

1.4本课题的主要内容

基于单片机与CPLD的等精度数字频率计设计，测量对象为周期性的正弦波、方波、三角波等等，本系统采用多周期同步测量法进行等精度测频、测周期、测脉宽和占空比，能够解决传统测量法量化误差的问题。

本课题所作的工作如下：

介绍了频率计的概念、发展及研究概况，讲述了测量频率的几种方法和比较；单片机部分Proteus软件介绍、AT89C51功能及引脚概述、FPGA/CPLD模块概述、QuartusII简单介绍、VerilogHDL硬件描述语言、系统的电路设计，包括顶层电路设计、前端信号放大整形电路设计、单片机与CPLD接口电路设计、单片机主模块设计、单片机外围电路设计等，最后论述了软件部分设计与仿真包括单片机部分汇编语言编写与调试、CPLD部分用VerilogHDL语言实现的频率、脉宽计数器设计、仿真与分析等。

通过本系统的研究，可以熟悉可编程逻辑器件开发原理及步骤以及基于QuartusII和Verilog的自顶向下模块化数字系统设计方法、掌握可编程逻辑器件与单片机的协作开发技术。

本文主要做了一下几项工作：

（1）电路设计。

此部分包括待测信号的前端放大与整形电路设计、单片机主模块电

路设计、单片机外围电路设计等，其中放大与整形电路通过在Proteus下的仿真调试。

（2）单片机汇编语言编写、调试与仿真测试。

此模块为整个系统的主要部分，汇编

语言在Keilμvision2环境下编写与调试，同时部分模块采用Keilμvision2与Proteus联合调试的方法，这大大提高了系统开发的速度。

（3）CPLD部分VerilogHDL代码编写与测试、仿真。

此部分在QuartusII9.1环

境下完成，并通过Modelsim-Altera6.5b进行时序仿真。

第二章系统设计相关理论及知识

2.1常用的数字频率测量方法

频率计最基本的工作原理为：

当被测信号在特定时间段t内的周期个数为n时，则被测信号的频率

（如图2.1所示）。

在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。

主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。

在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

周期t

总时间t

n次重复

图2.1频率测量基本原理

2.1.1直接测频法

直接测频法是最简单的，也是最基本的频率测量方法，在测量过程中，依据信号频率高低的不同，测量方法也可以分为两种[5]：

（1）被测信号频率较高时（M法）

通常选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，而将被测信号作为填充脉冲，在固定闸门时间内对其计数。

设闸门宽度为t，计数值为n，则这种测量方法的频率测量值为：

（2.1）

测量误差主要决定于闸门时间t和计数和计数器计得的数的准确度，因此，总误差可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即：

（2.2）

其中，

是最大量化误差的相对值，

，

的产生是由于测频时，闸门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系不相关造成的，即在相同的主门开启时间内，计数器所得的数并不一定相同。

当主门开启时间t接近甚至等于被测信号周期t的整数倍时，量化误差最大，最大量化误差为

个数。

为标准频率的准确度，在数值上石英晶体振荡器所提供的标准频率的准确度等于闸门时间的相对误差

的准确度，即：

（2.3）

式中负号表示由

引起的闸门时间的误差为

。

通常，对标准频率的准确度

/

的要求是根据所要求的测频准确度而提出来的。

因此，为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，标准频率的准确度应高于被测信号准确度至少1个数量级。

因此，测量较高的信号频率时，若

一定，闸门时间t越长，测量准确度越高，当t选定后，

越高，±1个数字误差对测量结果影响减小，测量准确度越高。

（2）被测信号频率较低时（T法）

通常被测信号被选作闸门信号，而将频率较高的标频信号作为填充脉冲，进行计数，设计数值为n，标准频率信号的频率为

，周期为

，则有：

（2.4）

使用这种方法测频的误差主要是对标频信号计数产生的±1个数字误差，在忽略标准频率信号自身误差的情况下，测量精度为：

（2.5）

由上可知：

直接测频方法的优点是：

测量方便，读数直接，在比较宽的频率范围内能够获得较高的测量精度。

它的缺点是：

由于被测信号±1个数字误差的存在，难以兼顾低频和高频实现等精度测量，所以测量精度较低。

2.1.2等精度测频法

（1）等精度测频原理

等精度测频是在直接测频基础上发展起来的，在目前的测频系统中得到了越来越广泛的应用。

它在测频时，闸门时间不是固定的，而是被测信号的整数倍，即与被测信号保持同步，因此消除了对被测信号计数所产生的±1个数字误差，使测量精度大为提高，测量原理框图如图2.2所示，测量原理的波形如图2.3所示。

图2.2等精度测频原理框图

图2.3等精度测频波形图

测量时，首先预置闸门开启信号，此时计数器并不计数，等被测信号上升沿到来时，触发器输出计数允许信号（实际闸门信号），计数器l对标准信号计数，计数器2对被测信号计数，预置闸门关闭时，计数器并不立即结束计数，而是等到被测信号上升沿到来时才停止计数，完成测量过程。

若计数器1对标准信号的计数值为

，计数器2对被测信号的计数值

，则被测信号频率为：

（2.6）

运算器对式（2.6）进行运算，由显示器显示运算结果，即为被测信号的频率值。

（2）误差分析

由误差合成公式有：

（2.7）

在（2.7）中第一项为被测信号引起的量化误差，由于实际闸门与被测信号同步，所以

=0，即消除了被测信号计数所产生的±1个字的量化误差，由此得到最大相对误差为：

（2.8）

式（2.8）说明频率测量的相对误差与被测信号的频率无关，其大小主要取决于闸门时间和标准信号频率，因而实现了频带内等精度、高精度的测量。

当合理选择闸门时间和标准信号频率，既可保证测量精度；又可提高测量速度，因此等精度测频法得到了广泛的应用。

而且由（2.8）式可知：

闸门时间T越长，时基频率越高，分辩率越高，误差愈小。

2.2单片机模块理论及知识

2.2.18051系列单片机简介

8051单片机的基本组成结构如图2.4所示。

一个8051单片机包含下列部件[6]：

一个8位微处理器CPU。

片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。

片内程序存储器ROM。

两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数。

四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出。

一个串行端口，用于数据的串行通信。

中断控制系统。

内部时钟电路。

图2.48051单片机的基本组成

2.2.2AT89C51功能及引脚概述

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

4k字节可重复擦写Flash闪速存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz-24MHz、128*8字节内部RAM、32个可编程I/O口线、2个16位定时/计数器、6个中断源、可编程串行UART通道、低功耗空闲和掉电模式[7]。

图2.5AT89C51内部结构

AT89C51有40个引脚。

内部含有32个外部双向输入/输出（I/O）端口。

引脚分布如图2.6所示。

图2.6AT89C51引脚分布

2.2.3Keilμvision2软件介绍

KeilSoftware的8051开发工具提供以下程序，可以用它们来编译C源码，来汇编汇编源程序，连接和重定位目标文件和库文件，创建HEX文件，调试目标程序[8]。

软件开发流程：

（1）创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置。

（2）用C语言或汇编语言创建源程序。

（3）用项目管理器生成应用。

（4）修改源程序中的错误。

（5）测试，连接应用。

Keiluvision可以选择与Proteus连调模式，如图2.7所示。

需要在Keil里面做如下设置：

复制VDM51.dll到Keil安装目录下的BIN文件夹中，修改TOOLS.INI文件，然后在Debug选项卡的第二个use中选择如图选项，最后在Proteus软件中的调试菜单下选中“使用远程调试监控”即可。

图2.7Proteus与Keil连调设置

另外，在本系统调试过程中要用到串口调试，调试窗口如图2.8所示。

图2.8Keil自带串口调试

2.2.4Proteus软件介绍

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具[9]。

Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真，PCB设计以及自动布线，是可以实现一个完整的电子设计的系统。

用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。

同时，自动布置和自动布线工具使PCB设计尽可能的简便，复杂的工作都由计算机完成。

在传统的基