基于單片機和CPLD的數(shù)字頻率計的設(shè)計與應(yīng)用

引言

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，通常將單片機作為控制核心并輔以相應(yīng)的元器件構(gòu)成一個整體。但這種方法硬件連線復(fù)雜、可靠性差，且在實際應(yīng)用中往往需要外加擴展芯片，這無疑會增大控制系統(tǒng)的體積，還會增加引入干擾的可能性。對一些體積小的控制系統(tǒng)，要求以盡可能小的器件體積實現(xiàn)盡可能復(fù)雜的控制功能，直接應(yīng)用單片機及其擴展芯片就難以達到所期望的效果。

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有集成度高、運算速度快、開發(fā)周期短等特點，它的出現(xiàn)，改變了數(shù)字電路的設(shè)計方法、增強了設(shè)計的靈活性?；诖?，本文提出了一種采用Altera公司的CPLD(ATF1508AS)和Atmel公司的單片機(AT89S52)相結(jié)合的數(shù)字頻率計的設(shè)計方法。該數(shù)字頻率計電路簡潔，軟件潛力得到充分挖掘，低頻段測量精度高，有效防止了干擾的侵入。獨到之處體現(xiàn)在用軟件取代了硬件。

CPLD開發(fā)環(huán)境簡介

1 VHDL語言

VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成電路硬件描述語言）是由美國國防部開發(fā)的一種快速設(shè)計電路的工具，目前已經(jīng)成為IEEE的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。相比傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)設(shè)計方法，VHDL具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，支持自頂向下和基于庫的設(shè)計的特點，因此設(shè)計者可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級用VHDL對電路的行為進行描述，并進行仿真和糾錯，然后在系統(tǒng)一級進行驗證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的CPLD器件中去，從而實現(xiàn)可編程的專用集成電路（ASIC）的設(shè)計。

2 Max+PlusⅡ開發(fā)工具

Max+PlusⅡ開發(fā)工具是美國Altera公司自行設(shè)計的一種CAE軟件工具。它具有全面的邏輯設(shè)計能力，設(shè)計者可以自由組合文本、圖形和波形輸入法，建立起層次化的單器件或多器件設(shè)計。利用該工具配備的編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能，將設(shè)計的電路圖或電路描述程序變成基本的邏輯單元寫入到可編程芯片中（如CPLD、FPGA），做成ASIC芯片。

它支持FLEX、MAX及Classic等系列CPLD器件，設(shè)計者無須精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ，只需用自己熟悉的設(shè)計輸入工具，如高級行為語言、原理圖或波形圖進行設(shè)計輸入，它便將這些設(shè)計轉(zhuǎn)換成目標(biāo)結(jié)構(gòu)所要求的格式，從而簡化了設(shè)計過程。而且Max+PlusⅡ提供了豐富的邏輯功能庫供設(shè)計者使用。設(shè)計者利用以上這些庫及自己添加的宏功能模塊，可大大減輕設(shè)計的工作量。使用Max+PlusⅡ設(shè)計CPLD器件的流程如圖1所示。

圖1 Max+PlusⅡ設(shè)計CPLD器件的流程圖

等精度測頻原理

本系統(tǒng)采用等精度測頻的原理來測量頻率，其原理如圖2所示。

圖2 等精度測頻原理圖

圖2中的門控信號是可預(yù)置的寬度為Tpr的一個脈沖。CNT1和CNT2是兩個可控計數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CNT1的時鐘輸入端FS輸入，其頻率為Fs；被測信號經(jīng)整形后從CNT2的時鐘輸入端FIN輸入，設(shè)其實際頻率為Fxe，測量頻率為Fx。

當(dāng)門控信號為高電平時，被測信號的上沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動計數(shù)器CNT1和CNT2。對被測信號Fx和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs同時計數(shù)。當(dāng)門控信號為低電平時，隨后而至的被測信號的上沿將使這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。設(shè)在一次門控時間Tpr中對被測信號計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值為Ns，則：
Fx/Nx=Fs/Ns(標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率的門寬時間Tpr完全相同)就可以得到被測信號的頻率值為:
Fx=(Fs/Ns)×Nx

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路包括鍵盤控制模塊、顯示模塊、輸入信號整形模塊以及單片機主控和CPLD模塊。鍵盤控制模塊設(shè)置5個功能鍵和3個時間選擇鍵，鍵值的讀入采用一片74LS165來完成，顯示模塊用8只74LS164完成LED的串行顯示。

系統(tǒng)由一片CPLD完成各種測試功能，對標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測信號進行計數(shù)。單片機對整個測試系統(tǒng)進行控制，包括對鍵盤信號的讀入與處理；對CPLD測量過程的控制、測量結(jié)果數(shù)據(jù)的處理；最后將測量結(jié)果送LED顯示輸出。被測信號整形電路主要對被測信號進行限幅、放大、再經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后送入CPLD。用50MHz的有源晶振作為CPLD的測試標(biāo)準(zhǔn)頻率。單片機由外接12MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振提供時鐘電路。系統(tǒng)組成原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2 CPLD邏輯模塊設(shè)計

根據(jù)等精度測頻原理，利用VHDL實現(xiàn)的測頻頂層電路模塊邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頂層模塊圖

該模塊由4個子模塊構(gòu)成。其中CONTROL1為測頻或測周期控制模塊；CONTROL2為測脈寬和占空比控制模塊；CHOICE為自校與測量選擇模塊；COUNT為基準(zhǔn)頻率和被測頻率計數(shù)器模塊。

被測信號脈沖經(jīng)CHOICE選擇后，從控制模塊CONTROL1的FX1端輸入，基準(zhǔn)頻率信號從FS端輸入，CLR是初始化信號。在進行頻率或周期測量時，完成如下步驟:

(1)在CLR端加正脈沖信號完成測試電路狀態(tài)的初始化。

(2)由預(yù)置門控信號將STROBE置高電平，預(yù)置門開始定時，此時由被測信號的上沿打開計數(shù)器COUNT，同時對基準(zhǔn)頻率信號和被測信號進行計數(shù)。

(3)頂置門定時結(jié)束信號把STROBE置為低電平(由單片機來完成)，在被測信號的下一個脈沖的上沿到來時，COUNT停止計數(shù)。

(4)計數(shù)結(jié)束后，ED1端輸出低電平來指示測量計數(shù)結(jié)束，單片機得到此信號后，即可利用SS0,SS1進行選擇，四次分別讀回COUNT中基準(zhǔn)頻率信號和被測信號計數(shù)值，并根據(jù)上述測量公式進行運算，計算出被測信號的頻率或周期值。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的單片機主控及其外圍電路模塊用Keil C語言編寫，軟件模塊對應(yīng)于硬件電路的每一個部分，還包括部分數(shù)據(jù)計算和轉(zhuǎn)換模塊。CPLD模塊用VHDL語言編寫，并在Max+PlusⅡ平臺上，完成CPLD的軟件設(shè)計、編譯、調(diào)試、仿真和下載。系統(tǒng)初始化后，主程序不斷掃描鍵盤子程序，當(dāng)其鍵按下時，程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序執(zhí)行其功能，然后返回繼續(xù)執(zhí)行鍵盤掃描主程序。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

試驗測試的結(jié)果如表1所示。

結(jié)論

本文將智能控制靈活、邏輯運算能力強的單片機和集成度高、運算速度快的CPLD相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設(shè)計的瓶頸，使設(shè)計的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可靠性高，測頻范圍寬、精度高等優(yōu)點。它可作為獨立的儀表使用，也可用做其他儀器儀表的組成部分。