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1、频率是指某周期现象在单位时间内所重复的次数，它与时间在数学上互为倒数。时间频率的精确测量促进了科学的发展，而科学的发展又反过来把时间频率的测量提高到新的高度。特别在最近的几十年里，频率和时间的测量精度已达到非常高的水平，即已远远超过其他所有物理量的测量精度。它主要的应用领域有导航和通信两大类，以及空间技术、工业生产、交通、科学研究及天文学与计量学方面。为了适应现代技术发展的要求，新型的频率计中都使用了单片机进行数据处理，这样，由软件代替了复杂的硬件电路，使仪器的结构简化，功能增强。TMS320F2812是TI公司新推出的一款主要应用于工业控制的DSP芯片。它集成了EV、AD、串口等的片内外设，

2、具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。本文给出一种基于TMS320F2812（简称F2812）DSP的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，测量精度高。有较强的实用性。关键词 测频 电力系统 TMS320F2812 捕获引言随着现代科学技术的发展，频率及时间的测量以及它们的控制技术在科学技术各领域，特别是在计量学、电子技术、信息科学、通信、天文和电子仪器等领域占有越来越重要的地位。频率测量是电力系统测量中一个十分重要的环节。电力系统中采样对测频要求有一定的实时性。电网频率范围在4

3、5Hz与55Hz之间，一般在49.5与50.5之间波动。在精度要求不需要特别高的电网频率测量中，本文给出一种基于DSP芯片TMS320F2812的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器（EV）的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，精度达103，完全能够满足要求。1 测量方法常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法虽在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低，直接测周法则恰恰相反。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消

4、除了对被测信号计数时产生的1 Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。因此本设计采用多周期测量法作为具体的实施方案。本设计选用美国德州仪器公司（TI）的F2812 DSP作为核心处理单元。F2812是TI公司近几年推出的高速、高精度的工业控制DSP芯片。它运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可以达到667 ns以内，低功耗（核心电压18 V，IO口电压33 V）。它采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力；外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道的12位AD转换器，串行外围接口（SPI），2个串行通信接口（SCI）等。其片内外设时间管理器含有2个模块（EVA和EVB）

5、，每个模块都包括2个通用定时器，3个全比较PWM单元，3个捕获单元和 1个正交编码脉冲电路。本设计主要利用EVA中的2个通用定时器（T1和T2），2个捕获单元（CAPl和CAP3），EVB中的1个通用定时器 （T3）。具体测量原理如图2所示。首先设定T3比较值（预置闸门时间为0012 8 s），设定T1的比较值为1，使能CAPl。然后使能T1，当其接收到一个整周期的被测信号时即可产生比较输出，同时产生比较中断，读取CAPl的栈值 （即T2的初值t2_1），清T1、T2上溢次数，使能CAP3和T3。最后当T3定时结束，借助于D触发器在被测信号的下一个上升沿到来时，切断T1的比较输出，同时PDPI

6、NTA将被置位，然后记录T1和T2的上溢次数tlofcount、t2ofcount，读取CAPl的栈值（即T2的末值 t2_2）和CAP3的栈值（即T1的末值tl_2）。由所得数据计算频率，禁止T1、T2、CAPl和CAP3。频率计算公式为： 注意：CAPl的捕获时基为T2，CAP3的捕获时基为T1，标准频率信号为150 MHz时钟频率的8分频。2 系统的设计21 TMS320F2812芯片简介TMS320F2812是TI公司2000系列的新型DSP芯片，具有32位低功耗定点处理器，最高主频150MHz，有强大的操作能力和迅速的中断响应处理能力。片内有18K字高速RAM，128K字的可加密Fl

7、ash ROM。片上还集成了丰富的片内外设，有SPI、SCI、eCAN和McBSP等多个串口外围设备，16通道的12位模数转换器（ADC），两个事件管理器（EVA，EVB），56个独立的可编程、多用途通用I/O口（GPIO）。该DSP芯片集成了大量工业控制领域应用的外设接口，能大大简化电路设计，同时它也具有足够的处理能力，是应用于控制领域的一款高性能DSP处理器。硬件系统总体框图如图1所示。被测信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为033 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。测量完成后，一方面可由键盘设置相关参数通过LCD显示测量结果，另一方面可通过

8、RS一232传送给PC机显示测量结果。另外，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。22 事件管理器及其捕获单元其片内外设事件管理器含有两个模块EVA和EVB，每个模块都包括2个通用目的（GP）定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕捉单元和1个正交编码脉冲电路。事件管理器为用户提供了众多的功能和特点，在运动控制和马达控制中特别有用。图2是捕获单元模块图，标出了一些相应的寄存器设置。这里利用EV模块的定时器，可以节省一个CPU定时器去处理其他工作。捕获单元捕捉被

9、测信号的有效电平跳变沿，由内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，并通过相应的运算来得到被测频率的大小。频率测量时应在接入DSP前接一比较电路，将被测信号整形为方波信号后输出到DSP捕获引脚。图3为硬件电路模块图。捕获单元可以记录捕获单元引脚的变化，用户可以指定诊断变化的方式（上升沿、下降沿或两个边沿）。当捕捉输入引脚CAPx（x1、2、3属于EVA；x=4、5、6属于EVB）检测到变化时，它将捕捉所选择的GP定时器的当前计数值，并把该计数值存储在两级深度的16位FIFO堆栈中。这里每个捕捉单元都有一个专用的2级深度FIFO堆栈，顶层堆栈由CAPFIFOx组成，底层由CAPxFBOT组成。测频

10、分两次捕捉，第一次捕捉到引脚发生的指定变化时，捕获单元将捕捉所选用计数器的计数值并把该值写入FIFO堆栈的上层寄存器（如果堆栈为空）。如果在第一次捕捉的值读取之前发生第二次捕捉，一个新的捕捉值会被送入底层寄存器。捕获单元捕捉到数值后，相应的中断标志位置1，如果没有屏蔽中断，就会产生外围设备中断请求。这里第一次捕捉屏蔽中断，第二次设置为和第一次捕捉相同的跳变沿捕捉，并开中断。响应中断，就可以通过中断服务程序读出一对捕捉的数值。这样的一对捕捉值正好是一个被测频率周期的两次计数。堆栈中的数值个数可以通过16位的FIFO状态寄存器CAPFIFOA（或CAPFIFOB）检测到。读出堆栈中两次存入的新旧捕

11、获值，就能计算出一个周波内的标频脉冲数，进而得出被测周波的频率。23 系统的软件设计主监控程序是整个软件系统的总调度程序，它控制着程序的有序运行。系统在上电或复位后，主程序先调用各模块的初始化子程序，主要包括GPIO初始化、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化。系统初始化完成之后，主程序启动CPU_Timer0，使能 T1、T2的上溢中断，启动CAPl，设置T1的比较值为1，等待T1CINT置位，开始测量频率。为减小测量过程中产生的随机误差，所测结果均取平均值。利用CPU_Timer0产生一定的时间段（O6s）。该时段结束后（CPU_TimerO中断标志位置位），即对该段时间段内记录的测量结

12、果求均值。此时，如果查询到上位机发出接收请求，则传送相应数据至PC显示。然，后，重新初始化定时器和捕获单元，进入下一轮测量。主监控程序流程如图3所示。测频的部分源代码如下：3 误差分析及测试结果31 量化误差设被测信号的频率为Fx，其真实值为Fxe，标准频率为Fs，在一次测量中，预置闸门时间为T，Tpr为实际闸门时间，被测信号计数值为Nx，标准频率信号计数值为Ns。 Fx计数的起停时间是由该信号的上升沿触发的，在T时间内对Fx的计数Nx无误差，对Fs的计数Ns假设相差N个脉冲，即|et|n。 由于FxNx=FsNs，FxeNx=Fs（Ns+et），根据相对误差公式有：因此可以得到以下结论：相对

13、测量误差与被测信号的频率无关。增大T或者提高Fs，可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度。本设计方案中，预置闸门时间限定了最低的测量精度。误差分析中的n，主要由硬件切断T1PWM所需要的时间决定，为一个小整型常数。若预置闸门时间Tpr=O012 8 s，则即使n取不为l的小整型常数，仍可以使得精度维持在十万分之一以内，并且可以随着预置闸门时间的适当延长，得到进一步的提高。32 测量的原理误差和标准频率误差本测量原理类似多周期同步测量原理，主要的原理误差来自测量即将结束时，由D触发器产生低电平跳变来切断T1PWM，从而使其产生由CAPl和CAP3同时捕获上升沿的跳变。这段时间主要是由D触发器的

14、反应时间决定。在测量过程中，针对这部分误差，可以通过适当增加预置闸门的时间来克服，同时考虑到DSP 内部高速的时钟频率，这并不会明显地增加测量耗时，但却达到了弱化此误差的影响、增加测量精度的目的。标准频率误差为FsFs。因为晶体的稳定度很高，标准频率误差可以进行校准，并且已将DSP内部的高速时钟频率进行了适当的分频，所以相对于量化误差，校准后的标准频率误差可以忽略不计。33 测试结果用函数信号发生器（型号为Tektronix AFG3010；精度为O000 1）产生方波信号，用设计的频率计测出频率，求出误差。本测频系统的测量精度可达到O01。根据误差分析可知，系统的最大误差发生在预置闸门时间正

15、好填充了整数个被测信号时，即频率为78125 Hz或者其整数倍时，所以选择这些点进行测试。实际的测试数据如表1所列。4 结论本文着重分析了数字频率计的设计方案、硬件组成，以及采用Modbus协议实现上位机与下位机通信的软件设计。特点有：在频率测量原理方面，由于采用了多周期测量原理，消除了对被测信号计数时产生的1个计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关，克服了传统的测频法或测周法的不足，实现了宽量程、高精度的频率测量。同时由于预置闸门时间的存在，保证了当被测频率在各频段之间来回切换时，系统反应灵敏，跟随性能好。在系统的总体设计方面，充分利用了F2812 DSP的内部资源，即使用事件管理器中的

16、定时器、捕获单元完成频率的测量；使用PWM的输出实现自检电路的设计；使用串口通信模块完成上位机和下位机的通信。在测量结果的显示方面利用RS232，通信协议采用Modbus协议，实现下位机和上位机的通信，将测量结果在上位机中显示出来。本文只探讨了如何对单路信号进行频率测量，而对于多路信号，可先使其经过一个与门，通过软件判断哪一路信号，然后再运用本设计方法进行测量。针对这种情况所产生的误差问题还需作进一步的探讨，本文只给出初步的探索。参 考 文 献1TMS320F2810,TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual.Texas Instrument,2002.2 TMS320F28x Event Manager （EV） Peripheral Reference Guide.Texas Instrument,2002.3张卫宁.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（上,下）.清华大学出版社.4包明,赵明富,郭建华,等.基于FPGA的高速高精度频率测量的研究.单片机与嵌入式系统应用,2003,（2）:31-33.5吴文全,束华. 基于单片机的多周期完全同步测频技术.电子技术应用，2004,（4）:20-21