基于DSP的高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻率及時間的測量以及它們的控制技術(shù)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域，特別是在計量學(xué)、電子技術(shù)、信息科學(xué)、通信、天文和電子儀器等領(lǐng)域占有越來越重要的地位。從國際發(fā)展的趨勢上看，頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高得非?？欤瑤缀跏敲扛?至8年就提高一個數(shù)量級。本系統(tǒng)采用DSP的數(shù)值控制方式是目前設(shè)計控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，這種基于DSP的控制系統(tǒng)能夠用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，而不需要復(fù)雜的模擬電路，具有軟硬件模塊化、測量功能可重組/可選擇的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數(shù)字信號控制器TMS320F2812芯片，其豐富的片內(nèi)資源可以大大簡化硬件電路的設(shè)計，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，其高效的32位CPU內(nèi)核、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等特點(diǎn)，為提高系統(tǒng)的測量精度奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時性好、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本嵌入式數(shù)字頻率計的硬件電路主要包含4個部分：4通道整形電路模塊，TMS320F2812數(shù)字信號處理模塊，單色液晶屏模塊(CM320*240)和4*2矩陣鍵盤模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

4通道整形電路模塊：完成模擬信號整形、衰減功能 。

TMS320F2812數(shù)字信號處理模塊：完成軟件濾波，多周期同步測頻算法等。
單色液晶屏模塊：實(shí)時顯示瞬時捕獲的頻率值，同時配合鍵盤進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)置。
4*2矩陣鍵盤模塊：系統(tǒng)命令的形成與其它參數(shù)的輸入設(shè)置。

信號處理過程：在鍵盤控制下，TMS320F2812根據(jù)4*2鍵盤發(fā)出的命令實(shí)時地將要轉(zhuǎn)換的模擬信號經(jīng)過電壓比較器形成的方波信號直接輸入捕獲單元的輸入引腳，再通過軟件濾波將捕獲到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多周期同步測量算法處理后直接送到單色液晶屏顯示，當(dāng)再次進(jìn)行通道選擇時，可通過鍵盤進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。

系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)在綜合考慮各種硬件條件下，設(shè)計出如圖2的系統(tǒng)硬件連接圖。

通道整形電路模塊

利用TMS320F2812的捕獲單元設(shè)計出硬件測頻電路。由于CAP模塊只能捕獲0V~3V的外界模擬方波信號，模擬信道必須將要轉(zhuǎn)換的模擬信號轉(zhuǎn)換后才能輸入CAP模塊。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD8022作為前端模擬處理。

AD8022是一款性能優(yōu)良、價格低廉、具有低噪聲和低失真特性的高性能8引腳雙運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電路輸入級是NPN差分對，與之對應(yīng)的后面驅(qū)動是PNP對，輸出緩沖級是工作在AB類的放大的射頻跟隨器。當(dāng)閉環(huán)增益提高時，AD8022可驅(qū)動更大的容性負(fù)載，輸出不會產(chǎn)生震蕩。

本系統(tǒng)采用開環(huán)方式實(shí)現(xiàn)電壓比較器，可以將-15V~+15V的外界模擬信號，經(jīng)過電壓求和電路輸出0V~3V的模擬信號（即圖3中的引腳3處），為抑制共模抑制比將其輸入到同相端，而在反相端輸入+1.5V的比較電平，這樣，在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。單通道整形電路模塊電路圖如圖3所示。

單色液晶屏模塊
CM320240是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動控制器和列驅(qū)動控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫，編程模式簡潔方便。

該液晶模塊的讀寫周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接控制方式。為節(jié)約硬件成本，該系統(tǒng)選用通用GPIO來控制液晶屏的讀寫信號。

鍵盤模塊
由于鍵盤是低速外設(shè)，與TMS320F2812連接時存在速度匹配問題。為此，設(shè)計時設(shè)置相應(yīng)的全局變量實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的同步。

本系統(tǒng)將鍵盤分為二類：通道選擇鍵（3個）與系統(tǒng)鍵（4個）。通道選擇鍵主要完成系統(tǒng)單通道、雙通道、四通道模式的設(shè)定；系統(tǒng)鍵包括停止鍵（停止觀察顯示的頻率）、返回鍵（通道選擇的重新設(shè)定）、UP鍵和DOWN鍵（選擇捕獲單元硬件連接方式）。

軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：捕獲中斷測頻子程序、鍵盤定時中斷掃描子程序和LCD顯示處理子程序。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。

鍵盤定時中斷掃描
為滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求、完成鍵盤操作的實(shí)時響應(yīng)，本系統(tǒng)設(shè)置了一個5ms的時基，采用事件管理器的EVB的time4定時周期中斷來完成。對鍵盤掃描、命令形成與標(biāo)志位設(shè)置功能，都在定時器中斷服務(wù)子程序完成。鍵盤定時中斷掃描流程圖如圖5所示。

捕獲中斷測頻
本系統(tǒng)使用TMS320F2812事件管理器模塊的捕獲單元來測頻，捕捉被測信號的有效電平跳變沿，由內(nèi)部的計數(shù)器記錄一個周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個數(shù)，并通過相應(yīng)的運(yùn)算來得到被測頻率的大小。此模塊主要包括捕獲與定時的初始化設(shè)置與捕獲中斷子程序兩部分。

捕獲中斷測頻子程序的部分代碼如下：

（1）void InitEv1(void)//捕獲1初始化設(shè)置
{
EALLOW;
SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x00;// 外設(shè)高速時鐘
EDIS;
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP1EDGE=1; //檢測上升沿，計算周期脈沖寬度
EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIFO=0; //CAP1FIFO空
EvaRegs.CAP1FBOT=0;//棧底清零
EvaRegs.CAP1FIFO=0;
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;//清捕獲中斷1標(biāo)志位
EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //捕獲1中斷使能
}
（2）interrupt void CAPINT1_isr(void)//捕獲中斷1子程序
{
CAP1_t1=EvaRegs.CAP1FIFO;//
CAP2_t1=EvaRegs.CAP1FIFO;
if(CAP2_t1>CAP1_t1)
temp1=CAP2_t1-CAP1_t1;
else
temp1=CAP2_t1+EvaTimer1InterruptCount*65535-CAP1_t1;
f1= 1171875.0/(float)temp1;
value=f1;
fpart = modf(value, &ipart);
a1=(long)ipart;//獲得頻率的32位整數(shù)
*(Uint16 *)0x80008=a1&0x0ffff;//獲的低16位
*(Uint16 *)0x80009=(a1&0xffff0000)>>16;//獲的高16位
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;//清捕獲中斷1標(biāo)志位
EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //捕獲1中斷使能
PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK3 = 1;//開外設(shè)中斷應(yīng)答
}
LCD顯示處理
LCD的顯示分為信息區(qū)與顯示區(qū)兩部分。其中信息區(qū)包括固定信息（顯示煙臺大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室等），顯示區(qū)包括通道號信息與各通道的頻率值信息的顯示。本模塊主要包括LCD的初始化設(shè)置與頻率值的顯示等子程序。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)測試了如表1中的6組數(shù)據(jù)，并做出了誤差分析。輸入信號頻率與實(shí)測信號頻率如表1所示。

誤差分析：本系統(tǒng)的誤差主要來自如下兩個方面，即計數(shù)脈沖和門控信號不同步以及晶振不穩(wěn)定。

結(jié)束語
本文設(shè)計了一種具有高精度和簡單結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的測頻系統(tǒng)，由于在實(shí)現(xiàn)上簡單，可以滿足低成本的要求，使測頻電路大為簡化，便于工程應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用價值。

經(jīng)過反復(fù)測試后得出：系統(tǒng)的測頻誤差可達(dá)到0.1%，由于采用了實(shí)時的鍵盤定時中斷掃描，可以較好地滿足實(shí)時性要求。