简易多功能计数器两种方案Word文档格式.docx

1、1.1.2 发挥设计要-1 1.2 测量原理 1.2.1频率测量原理-1 1.2.2 时间间隔-1 1.2.3 系统测量原-2 1.3 系统总体方案 1.3.1 系统总体方案的比较与-2 1.3.2 系统总框图-3 1.4 各模块硬件电路实现 1.4.1 FPGA模块-3 1.4.1.1 频率测量-3 1.4.1.2时间间隔测量-4 1.4.1.3 其他-5 1.4.2信号预处理-6 1.4.3 AD采样测幅值-7 1.4.4 温度测量模块-7 1.4.5 键盘输入模块-7 1.4.6 液晶显示模块-7 1.4.7 语音报时模块-7 1.4.8 自制电源-7 1.4.9浮点数除法运算-8 1.

2、5 系统软件设计 2.5.1 主程序流程图 -8 2.5.2 界面设计 -9 1.6 测试与结果分析 2.6.1 参数测量结果-10 2.6.2 误差与结果分析-11 1.7设计总结-12 1.8参考资料-12 附录 1.1元件清单-13 1.2电路设计原理图及相关仿真结构-13 1.3源程序代码-13 正 文 1.1设计要求 1.1.1 基本设计要求 （1）具有测量周期、频率、时间间隔的功能；（2）可以用键盘选择上述三种功能；（3）周期、时间间隔测量：0.1mS1S，误差0.1%；频率测量：1Hz200KHz，误差0.1%；（4）能够显示至少六位数码，并自制计数器电源 1.1.2 发挥设计要

3、求 （1）周期、时间间隔测量：1S10S，误差0.1%；0.01Hz10MHz，误差0.1%；（2）可以记忆10个历史测量数据，且能够随时查看；（3）实现语音报数功能，并且显示被测信号的峰值；（4）其他（如温度、时间等功能）。1.2测量原理 1.2.1 频率测量原理 原理一般可分为模拟法和电子计数法两种，电子计数法具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简单等优点而应用更为广泛。图1频率测量原理图 示,由晶振分频及门控制电路得到具有固定宽度Ts的方波脉冲作为门控信号，加到闸门的控制端，控制闸门开、闭的时间。设被测信号频率为Fx,，门控信号持续时间为TS，计数器计数为N。测频时，将计数器置零，

4、待门控信号来到后打开闸门，允许被测脉冲通过，计数器开始计数，只到门控信号结束，闸门关闭，停止计数。此时Fx=N/TS。可见，此种测量方法中门控信号的选取是关键，门控信号决定了所测频率的准确程度，如测量低频信号时，在门控信号持续的时间内计数器计数较小，测量误差较大。1.2.2 时间间隔测量原理 时间间隔测量可分为连续时间测量和单次测量。连续测量用于周期信号的多次测量，然后通过取平均值以达到较高的测量精度；单次测量就是以随机的一次测量为基础，其测量原理图12所示：图1周期测量原理图设量化时钟的频率为T0，待测脉冲上升沿到来时量化时钟的初始计数为M，下一次待测脉冲上升沿到来时量化时钟技术为M，T1、

5、T2为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则时间间隔为Tx=（N-M）*T0+T1-T2。这种测量方法是测量Tx内的时钟量化时钟个数，对于高频信号而言，Tx时间内计数器计入量化时钟个数较小，测量误差较大。此种测量方法以被测信号本身作为门控信号，通过测量门控信号中的量化信号个数得出时间间隔。1.2.3 本系统测量原理的选择比较以上两种测量方法，前者（以下简称测频法）是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。测频法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大的误差，除非闸门时间取得很大（即要求晶振分频倍数大，使门控信号能够

6、达到足够小的频率）。后者（以下简称测周法）是以给定信号为门控信号，通过测量门控信号时间内通过的量化信号的个数换算出时间间隔的。测周法的测量精度取决于被测信号的周期和计时的精度，当被测信号频率较高时，计时精度的要求就很高了。实际上，测周法和测频法都存在一个字的技术误差问题：测频法存在门控信号内一个被测信号的脉冲个数误差，测周法存在一个被测信号内量化信号脉冲个数误差。为了提高系统测量精度，我们采用任何一种方法测量都应该保证计数个数N足够大。因此，对于周期测量分为高频档和低频档。低频信号直接测量，高频信号则先通过分分频器分频，转化为低频信号后，按照低频档的方法测量。对于频率测量，依然分成高频、低频两

7、档。对于低频信号我们采去测周法，然后根据公式f=1/T，计算出低频频率。由于单片机做浮点运算的精度有限，在编写单片机程序时，还应该注意采取有效算法控制运算精度。1.3系统总体方案 1.3.1系统总体方案的比较与论证 方案一：传统51单片机和集成计数器。传统51单片机功能简单，易于控制而且操作方便，但是工作速度慢，对于题中高频信号的测量会引起致命误差，而且传统51单片机片内资源不丰富，I/O口数量很少，需要通过8155扩展端口。对于集成计数器，测量高频信号时，计数值可达100000000，以10位计数器（74LS160）为例，需串联8个，单片机的外围电路非常复杂，同时复杂的外接电路会影响整个系统

8、的响应时间，导致很大误差。方案二：高性能AVR单片机与FPGA。高性能AVR单片机是在传统51单片机的基础上发展起来的，它继承了传统51单片机的优点，并在此基础上有所提高。AVR单片机凭借高速、低功耗、丰富的片类资源等强大功能得到了广泛的应用。通过对FPGA的编程将复杂而庞大的外部硬件计数电路软件化，FPGA内自带的50MHz有源晶振保证了整个系统的响应速度，系统稳定性得到提高，误差减小。1.3.2 系统总方框图 如下图所示，FPGA完成测量功能，AVR控制液晶显示、温度测量、语音报时、峰值测量、键盘输入等功能。图3系统总框图 1.4 各模块硬件实现 1.4.1 FPGA部分 FPGA部分由频

9、率测量模块、周期/时间间隔测量模块、SPI通信模块，PLL等子模块组成。1.4.1.1 频率测量模块 图4频率测量模块 频率测量模块由分频模块、门控模块，BCD计数模块和数据锁存模块组成。其中分频模块将FPGA开发板的50M的时钟分频为2Hz门控时钟。门控模块收门控时钟的上升沿，对BCD计数器的使能（enable）、清零（clr）和数据锁存（lck）信号的时序进行控制图5所示。值得注意的是，本频率测量模块使用的BCD计数器而不是普通二进制计数器。BCD码很大程度上方便了单片机将其转换成字符型数据，最终显示在LCD上。我们发现，二进制码转BCD码的算法较为复杂，同时占用的FPGA的片内资源也较多

10、，故直接采用BCD计数方法。图5频率测量时序图 1.4.1.2 周期/时间间隔测量模块 周期测量使用两个状态机（主状态机和sig_sel状态机）实现。对于低频信号（signal_x），我们直接计算其一个周期包含的量化时钟的数目。对高频信号，将其通过分频器分频后再计算包含的量化时钟的数目。由sig_sel状态机选择被量化的信号。（如图6所示） 为达到精度0.01%的要求，每个signal时钟需包含大于10000个量化时钟。因此，我们对周期小于100us的信号进行1000倍分频。图6自动转量程原理图 时间间隔测量原理与周期测量相同。区别在于时间间隔测量为单次测量，周期测量为连续测量。单脉冲周期无频

11、率而言，故不能经过分频器（sig_sel始终为0）。为区别周期测量和时间间隔测量这两种模式，本模块引入一个模式选择信号（mode）当mode=1时为侧周期模式，当mode=0是为测时间间隔模式。主状态机：测量一次上图中signal信号周期需要用3个signal的方波的周期。每一个signal周期对应一种状态，每种状态下执行不同的操作。状态转换图以及各状态的功能如表1所示。表1状态机功能 控制时钟被测方波（signal）的上升沿Hold，或者rst信号的下降沿:idle周期计数器（cnt）清零，hold状态计数器（cnt_hold）*清0，idle状态计数器（cnt_idle）*计数hold周期

12、计数器（cnt）计数,idle状态计数器（cnt_idle）清0counting周期计数器（cnt）保持,hold状态计数器（cnt_hold）计数*设置hold状态计数器和idle状态计数器的目的是避免出现被测信号的频率过低而又被1000倍分频导致的电路所死（长时间处于idle或hold状态）的情况。sig_sel状态机：sig_sel状态用于控制被测方波是否经过分频，起到了扩大量程和提高测量精度的作用。sig_sel两个状态的功能如下表2所示 表2功能表 1被测方波经过分频被测方波没有经过分频量化时钟clk_10M，或者rst信号的下降沿:sig_sel状态机的verilog描述：alwa

13、ys （posedge clk） begin if（rst=0 | mode=0） sig_sel=1_0000_000 | cnt_hold=1_0000_000 | cnt_idle=1_0000_000） else if （curr_s=hold & sig_sel=0 & cnt1_0000） =1;else =sig_sel;end 计数器：周期测量同时使用BCD码计数器和二进制计数器。二进制值用于状态的判断和转换。BCD码方便了单片机处理和显示数据，这与频率测量模块相同。图8ATmega128与FPGASPI通信 本接口模块中所需实现的逻辑功能是，从机FPGA在主机ATmega12

14、8提供的CLK时钟信号下，按照SPI接口规范，按照SPI时序图的规范接受数据，然后执行测量对象选择、液晶显示等操作。其工作流程如下，ATmega128通过MOSI向FPGA发送数据（该数据低八位储存地址信息，高八位储存数据信息，FPGA对地址译码，选择合适的数据输入端），AVR在load端产生下降沿，FPGA将相应数据读入寄存器中，当CS=0，load=1的情况下，在每一个SCLK时钟的上升沿,移位寄存器的数值左移一位。数据就通过MISO送到MCU中。图9SPI时序图 （2）量化时钟周期的选择 合适的量化时钟周期可以简化运算的复杂程度，提高测量效率。我们选择10ns为量化时钟信号，计算简单，而

15、且保证了测量精度。1.4.2信号预处理 系统中计数是以上升沿或下降沿为标准的，因此一般信号需通过电压比较器整形为方波信号。FPGA中的计数器是边沿触发而不是电平触发，整形后波形边沿的陡峭程度显得非常重要。对于方波信号，我们应根据实际情况整形或者直接通过稳压管稳压后测量相关参数。对高频信号，我们采用精密TTL比较器MAX941，该比较器具有低功耗、超高速（可达10ns）等优点，可以满足本系统中对高频信号的整形要求。对于低频信号，经比较器整形后，由于采样速度快，进过比较处理后边沿的陡峭程度受到很大制约，在某种程度上影响了FPGA中计数器对这种非陡峭边沿的识别，从而导致测量中的计数误差。对于低频信号

16、，我们采取可以外接其它整形电路（如施密特整形，滞回比较器整形等）以弥补MAX941的不足。1.4.3 AD采样测幅 幅度测量采用ATmega128自带的AD转换器，对被测信号（初始信号）对此采样，每次采样与前一次采样比较，保留最大采样值，即可换算出信号的峰值。显然，对于高频信号，由于AD转化器采样速度的限制，所测峰值误差较大。1.4.4 温度测量模块 采用热电偶或者热敏电子作为感温元件，但热电偶需要冷端补偿，电路设计复杂，热敏电阻虽然精度较高，但需要标准稳定的电阻匹配才能使用，而且重复性、可靠性都比较差。采用集成温度传感器DS18B20，该传感器结构简单，不需要外接电路，数据传输用onewir

17、e总线，可用一根I/O数据线既供电又传输数据，在-10+85范围内精度为0.5,且分辨率较高，重复性和可靠性好。显然，我们采用方案二。1.4.5键盘输入模块 键盘输入有独立键盘和矩阵键盘两种选择。对于单片机最小板自带的8个独立按键而言完全可以实现本系统的要求。但是对于同样的端口，矩阵键盘多了一倍的按键，易于通过多余的按键实现扩展功能的手动控制，例如，单片机接受到某一按键信号后会执行温度测量并且显示温度的程序，接受到另一按键信号会执行峰值测量并显示的程序。本系统中按键的设置如下：选择测量对象？周期，频率，时间间隔；选择需储存记忆数据；是否显示峰值；是否温度测量；是否语音报数；是否返回主界面；返回

18、上一页等。1.4.6 液晶显示模块 2402液晶模块，24行*2列字符显示，并行8/4数据通信，可以满足本系统中至少显示六位的要求。我们假期已经调过液晶显示的模块，利用C语言模块的可移植性，直接将模块移植过来，根据实际情况更改数组内容，即可实现测量参数的显示。1.4.7 语音报数模块 语音报时使产品与使用者进行良性的互动，大大提高了本测量系统的竞争能力。我们选用智能型640秒语音录放模块实现语音报数功能。该模块由麦克风、喇叭、语音芯片及应外围电路组成。该模块具有话筒录音、线路录音、直接驱动喇叭、支持按键和三线串口控制模式、断点信息不丢失等特点。对于本计数器中的报数功能，我们可以按照如下操作：A

19、Tmega128单片机通过SPI外串行总线端口给语音模块发送FB+XXH（定时录音模式），然后通过麦克风将数据依次录音，存在合适的地址中，方便播放时寻找合适音频信号。单片机将FPGA测得的数据按照相对应的规律，找到语音模块中的地址，并发送FCH+XXH（播放模式），从而实现语音报数功能 1.4.8自制电源 本系统中FPGA、ATmega128、电压比较器等器件都需要合适的直流电源供电，因此我们自制了相应的直流电源。如下图所示，将输出的220V交流信号经变压器降压，整流桥整流，电容滤波，7805、7905等集成稳压器稳压，从而得到满足相应要求的直流电源 图10电源原理图 1.4.9浮点数除法运算的实现 测频法存在门控信号内一个被测信号的脉冲个数误差，对于高频信号而言，门控信号内通过的被测信号脉冲的个数足够大，一个脉冲的缺失，对测量结构不产生影响；对低频信号而言，门控信号内通过的被测信号脉冲个数很小，一个脉冲的缺失会引起很大的误差，故对低频信号我们采用测周期的方法，通过求倒数换算出周期。求倒数换算周期，浮点数的除法运算及浮点数显示是本设计中的两大难点。对于0.1%的精度要求，不同频率范围内的周期求倒数后，小数点后需精确到的位数要求不一样，我们通