基于单片机频率计的设计文档格式.docx

1、HardwareDescriptionLanguage,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）的一种工业标准硬件描述语言；相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（ToptoDown）和基于库（Library Based）的设计的特点。单片机技术在短短的20余年间已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。1.3 单片机的发展目前计算机硬

2、件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向发展。自1975年美国德克萨斯仪器公司第一块单片机芯片TMS-1000问世以来，在短短的30余年间，单片机技术已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。按单片机的生产技术和应用对象，单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机几个有代表性的发展阶段。单片机与通用微机相比较，在结构、指令设置上均有其独特之处，其主要特点有：1） 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的，ROM称为程序存储器，只存放固定常数及数据。RAM则为数据存储器，用于工作区及存放用户数据。2） 采用面向控制的指令系统。3） 单片机的输

3、入/输出引脚通常是多功能的。4） 单片机的外部扩展能力强。从80年代单片机被引入我国，单片机已广泛地应用于电子设计中。单片机的应用迅速发展，其性价比高，大量的外围接口电路，使基于单片机的电子系统设计方便，周期缩短，而且不断发展。新型单片机支持高级语言，进一步延伸了其发展空间。 第二章：方案论证与选择2.1 方案一 基于VHDL语言的频率计的设计设计的基于VHDL语言频率计的系统原理框图系统原理框图如图2.1所示。小 数 点闸门信号待测信号启 停 信 号译码显示电路计 数 器 开 关 控 制标 准 信 号 发 生 器时钟量程选择锁 存 器使能1K输出使能锁存信号计数控制器分 频 器分频器100H

4、z或10Hz图2.1 设计的基于VHDL语言频率计的系统原理框图各模块说明如下：（1） 标准信号发生器, 开关控制电路。标准信号发生器产生1kHz 基准信号。开关控制电路对键盘输入的启停信号进行处理 （2）分频器当收到使能信号, 分频器启动, 将标准1kHz 信号经3次10分频, 得到100Hz, 10Hz, 1Hz 信号。1kHz, 100Hz, 10Hz 信号作为计数器闸门信号来控制计数, 以实现不同量程。 （3） 计数控制器计数控制模块将输入的分频信号处理, 产生计数闸门信号、计数清零信号和锁存信号。（4） 计数器采用3个十进制计数器级联作为计数模块。闸门信号与待测信号相与作为计数输入。

5、计数结果直接输出给锁存器。 （5）锁存器每当锁存使能信号来临, 锁存器便将锁存结果读入、锁存。锁存器还完成量程选择功能。锁存器还根据当前量程, 选择合适的小数点位置输出。（6）译码显示电路由于小数点由锁存器输出, 故在此仅考虑数码管的7段驱动，7段译码器将计数值译成相应的7 段数码驱动值。2.2 方案二 基于单片机的频率计的设计设计的基于单片机频率计的原理框图如图2.2所示。 液 晶 显 示 模 块 1602AT89C51 单 片 机复位电路时钟电路被测信号图2.2 设计的基于单片机频率计的原理框图复位电路采用上电复位方式，每次单片机上电工作时使单片机处于复位状态，即初始状态，为测量频率作好准

6、备。时钟电路中片内高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶振（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟，由此向单片机提供振荡脉冲。AT89C51单片机内部具有2个16位的定时器/计数器，并可以在定时或计数溢出时产生中断。将被测信号通过P3.5口送入单片机，将T0设置为定时方式，每50ms产生一次中断，产生20次中断所用时间正好为1S，将T1设置为计数方式，T1的初值设置为0，计65535个脉冲后产生一次溢出中断，在T1中断溢出时对溢出次数进行计数（计数值为N）。1S内T1计的总的脉冲数为65535NTH1256TL1，这个数值就是被测信

7、号的频率值。单片机计的脉冲数值经过转换送到液晶显示模块1602，从而显示被测信号的频率，测量结果用十进制表示，很直接。2.3 方案的选择基于VHDL语言的频率计设计的优点：VHDL语言,对设计的描述具有相对独立性, 设计者可以不懂硬件结构, 降低了硬件电路设计难度。利用EDA工具maxplus II 对源程序进行编译、选配、优化、逻辑综合, 自动地把VHDL描述转变成门级电路, 进而完成电路分析、纠错、验证、自动布局布线、仿真等各种测试工作。最后通过编程电缆下载数据流, 将所设计内容下载到所选中的FPGA器件中, 即完成设计工作。这种设计方法减少了电路设计的时间和可能发生的错误, 降低了开发成

8、本。基于VHDL语言的频率计设计的缺点：FPGA大部分是基于SRAM编程,编程数据信息在系统断电时会丢失,每次上电时需从器件的外部存储器或计算机中将编程数据写入，布线结构和逻辑实现复杂，其编程信息需存放在外部存储器上，需外部存储器芯片，且使用方法复杂，保密性差。基于单片机的频率计的设计的优点：单片机在控制领域中有很多优点，如体积小、成本低、运用灵活、抗干扰能力强，可以方便地实现多机和分布式控制。并且利用单片机设计的频率计原理框图简单，所用元器件少，电路不易出错，其程序存放在内部存储器上，不需要外部存储器芯片，使用方法简单。且单片机便宜、稳定、开发简单、通用性好。基于单片机的频率计的设计的缺点：

9、所测信号的频率范围窄，若要扩大频率范围需外加分频器。综合比较上述两种方案，选择用单片机来设计频率计，显示部分用液晶显示模块，以使测量结果更加直接、明确。第三章：3.1系统硬件电路的设计 基于单片机频率计的原理框图图3 基于单片机频率计的原理框图3.1.1 单片机的管脚AT89C51单片机的管脚排部如图3.1所示。图3.1 AT89C51单片机的管脚排布主电源引脚VCC（40脚）：接+5V电源正端。VSS（20脚）：接+5V电源地端。1、 外接晶体引脚XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。XTAL2（18脚）：接外部石英

10、晶体的另一端。在单片机内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。输入/输出引脚P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口，在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向输入/输出口使用。P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向输入/输出口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口，除作为准双向输入/输出口使用，还可以将每一位用于第二功能。控制线ALE/ （30脚）：地址锁存有效信号输出端

11、。（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。/VPP（31脚）：EA为片外存储器选用端。该引脚有效（低电平）时，只选用片外程序存储器，否则单片机上电或复位后选用片内程序存储器。3.1.2 单片机的外围电路1）时钟电路单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式，实际中常应用内部时钟方式。设计的内部时钟方式图如图3.2所示。XTAL1单 片 机C1C230PFXTAL2图3.2 设计的内部时钟方式图电容在22PF3

12、3PF之间选择，起微调作用，在此采用30PF。晶振可采用6MHz或12MHz，但是若用6MHz的晶振，所测频率范围太窄，最高只能测到250KHz，用12MHz的晶振，最高频率可测到500KHz，故在此选用12MHz的晶振。2）复位电路单片机的复位电路可采用上电复位或按扭复位，实际中常应用上电复位的方式，设计的上电复位方式图如图3.3所示。10FRST10K 图3.3 上电复位方式图3.1.3 液晶显示模块1602液晶显示器（LCD）具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD型显示器的构成原

13、理很简单，在两片透明绝缘的有机薄膜或者玻璃之间均匀充填着液晶流体，底层透明薄膜上镀有一层导电体，而顶层透明薄膜上则按需要的形状敷有透明的导电电极，当电极通电后，就与下层导电体之间（约10m）形成一个电场，由于这个电场的作用，其间的液晶体的透光状况就发生了变化，从而对外来光线产生了吸收作用，使人们看见了与电极形状相同的字形显示。1602采用标准的16脚接口，从该模块的正面看，引脚排列从左向右为：116脚，1602的管脚排部如图3.4所示。16151413121110987654321图3.4 1602的管脚排部其中:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比

14、度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚。3.1.4 硬件电路原理图设计的系统硬件电路原理图如图3.5所示

15、。+5V P2.0 P2.1 P2.2 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7P3.5XTAL1 XTAL2 +5VVCCRSRW VDDED0D1 VLD2D3D4 D5D6 VSSD7液 晶 显 示 模 块 1602AT89S51 单 片 机VSS图3.5 系统硬件电路原理图硬件电路图中，单片机的管脚必须接高电平，因为接低电平时只选用片外程序存储器，而试验所用的是片内程序存储器。液晶显示器1602的VL管脚必须接一个电位器来调节，因为VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，对比度过弱时，看

16、不到屏幕上显示的数据。硬件电路中所选用的元器件的规格/型号见附录B。3.2 系统软件的设计3.2.1 定时器/计数器工作方式的设置定时器/计数器T0、T1都有四种工作方式，可通过程序对TMOD设置选择。TMOD的低四位用于定时器/计数器0，高四位用于定时器/计数器1。TMOD的位定义如图1.1所示。D1D6D4GATEM1M0C/ 图3.6 TMOD的位定义C/T：定时或计数功能选择位，当C/T1时为计数方式；当C/T0时为定时方式。M1、M0：定时器/计数器工作方式选择位。GATE：门控位，用于控制定时器/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。一般情况下GATE0。当M1M0=00时，定

17、时器/计数器设定为工作方式0，构成13位定时器/计数器。计数值由下式确定：N=8192-X，式中N为计数值，X是THX、TLX的初值。计数范围为18192。定时时间由下式确定：T=N Tcy =（8192-X）Tcy，式中Tcy为单片机的机器周期。如果振荡频率为12MHZ，则Tcy=1us,定时范围为18192us。当M1M0=01时，定时器/计数器设定为工作方式1，构成16位定时器/计数器。在方式1时，计数器的计数值由下式确定：N=65536-X，计数范围为165536。定时器的定时时间由下式确定： Tcy =（65536-X）Tcy，如果振荡频率为12MHZ，则Tcy=1us,定时范围为1

18、65536 us。当M1M0=10时，定时器/计数器设定为工作方式2。方式2是自动重装初值的8位定时器/计数器。在方式2时，计数器的计数值由下式确定：N=256-X，计数范围为1256。 Tcy =（256-X）Tcy，如果振荡频率为12MHZ，则Tcy=1us,定时范围为1256 us.当M1M0=11时，定时器/计数器设定为工作方式3。方式3只适用于定时器/计数器T0。当T0工作在方式3时，TH0和TL0被分成两个独立的8位计数器。方式3下定时器/计数器的定时、计数的范围和定时、计数值的确定同方式2。在试验中需将T0设置为定时方式,将T1设置为计数方式;定时器T0定时50ms,即50000

19、us,需选用工作方式1,即M1M0=01,因此,在编制程序时,将TMOD的高四位设为0101,低四位设为0001。3.2.2 定时器/计数器开启/关闭的设置定时器/计数器的开启和关闭可通过控制寄存器TCON来设置, TCON的位定义如图3.7所示。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0图3.7 TCON的位定义TF0（TF1）：T0（T1）定时器/计数器溢出中断标志位。当T0（T1）计数溢出时，由硬件置位，并在允许中断的情况下，向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断转向中断服务程序时，由硬件自动将该位清零。TR0（TR1）：T0（T1）运行控制位。当TR0（TR1）1时启动T0（T

20、1）；TR0（TR1）0时关闭T0（T1）。该位由软件进行设置。TCON的低四位与外部中断有关。编写程序时,若需启动T0（T1）,通过指令SETB TR0 或SETB TR1将TR0（TR1）设为1,需关闭T0（T1）,通过指令CLR TR0 或CLR TR1将TR0（TR1）设为0。3.2.3 中断的设置所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的某个事件的一种响应过程，即CPU暂时停止现行程序的执行，而自动转去执行预先安排好的处理该事件的服务子程序。当处理结束后，再返回到被暂停程序的断点处，继续执行原来的程序。实现这种中断功能的硬件系统和软件系统统称为中断系统。试验中涉及到的T0或T1的中断,

21、中断的控制可通过中断允许寄存器IE来设置。IE的位定义如图3.8所示。EAET2ESETIEX1ET0EX0图3.8 IE的位定义EA：中断允许总控位。EA0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。EA的作用是使中断允许形成两级控制。即各中断源首先受EA位的控制；其次还要受各中断源自己的中断允许总控位控制。ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位，只用于52子系列。ES： 串行口中断允许位。ES0，禁止串行口中断；ES1允许串行口中断。ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。ET10，禁止T1中断；ET11，允许T1中断。EX1：外部中断1的中断允许位。EX10，禁止外部中断1中断；E

22、X11，允许外部中断1中断。ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。ET00，禁止T0中断；ET01，允许T0中断。EX0：外部中断0的中断允许位。EX00，禁止外部中断0中断；ET01，允许外部中断0中断。试验中需开中断允许总控位,需允许定时器T0和T1中断,因此在编程时使EA=1,使ET01且ET11。中断源有多种, 每个中断源的优先级可通过中断优先级寄存器IP进行设置并管理。IP的位定义如图3.9所示。PT2PSPT1PX1PT0PX0 图3.9 IP的位定义PT2: 定时器/计数器T2的中断优先级控制位。PS： 串行口的中断优先级控制位。PT1：定时器/计数器T1的中断优先级控制位

23、。PX1：外部中断INT1的中断优先级控制位。PT0：定时器/计数器T0的中断优先级控制位PX0：外部中断INT0的中断优先级控制位。试验中为提高测量结果的准确度,需要将T1的中断设置为优先,通过指令SETB PT1来实现。3.2.4 液晶显示模块1602内部的控制指令 1602液晶模块内部的控制器共有11条指令，控制指令表如表3.1所示：表3.1 控制指令表指 令R/W清显示光标返回*置输入模式I/DS显示开/关控制DCB光标或字符移位S/CR/L置功能DLNF置字符发生存储器地址字符发生存储器地址（AGG）置数据存储器地址显示数据存储器地址（ADD）读忙标志或地址BF计数器地址（AC）写数到CGRAM或DDRAM要写的数从CGRAM或DDRAM读数读出的数据它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编