基于MCU的鎖相環(huán)鎖定時間測量系統(tǒng)設計

摘要：為測量鎖相環(huán)鎖定時間，通過比較各鎖相環(huán)芯片的接口特點，設計通用的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上位機、下位機軟件以及基于AT89C 51的控制電路，上位機和下位機使用串口通信。通用性和實時性是系統(tǒng)最大特點，在軟件和硬件的設計上保證系統(tǒng)能兼容大多數(shù)常用鎖相環(huán)芯片；并能根據(jù)用戶輸入的控制參數(shù)實時控制鎖相環(huán)且測量其鎖定時間。通過實際應用證明，該系統(tǒng)能準確測量鎖定時間，有效減少鎖相環(huán)設計與調(diào)試過程中的工作量與復雜度。
關(guān)鍵詞：AT89C51；鎖相環(huán)；鎖定時間；串口

    鎖相環(huán)技術(shù)是一種頻率合成技術(shù)，在各類通信和控制系統(tǒng)有著重要應用。其中鎖定時間是環(huán)路的重要參數(shù)。商業(yè)的鎖相環(huán)設計軟件僅能在仿真層面上計算出鎖定時間的理論值，而本文所設計的鎖定時間測量系統(tǒng)包括軟件和硬件，可動態(tài)控制鎖相環(huán)并實時測量其鎖定時間。典型的鎖相環(huán)系統(tǒng)包括分頻器、鑒相器、濾波器、壓控振蕩器。其中鑒相器和分頻器往往都集成在一個鎖相環(huán)芯片中，可使用單片機對其進行編程控制。鎖相環(huán)芯片控制數(shù)據(jù)的傳輸大都采用串行方式，僅在一些細節(jié)上有所不同，這給設計通用的鎖相環(huán)鎖定時間測量系統(tǒng)帶來可能。

1 系統(tǒng)原理
    測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機通過串口和單片機通信。上位機負責讀取用戶輸入的控制參數(shù)并傳遞給單片機，單片機負責將控制參數(shù)寫入鎖相環(huán)并測量鎖定時間，之后交由上位機顯示。

    通常鎖相環(huán)芯片與單片機的編程接口電路如圖2(a)所示，CLOCK為芯片和單片機提供同步時鐘；DATA是芯片控制數(shù)據(jù)的串行輸入引腳；LE是芯片數(shù)據(jù)寄存器控制引腳，可通過LE的上升沿觸發(fā)將存儲在芯片移位寄存器中的DATA串行數(shù)據(jù)送入芯片內(nèi)各部件；CE為使能引腳。以上幾個控制信號的時序如圖2(b)所示，將以上幾個引腳分別接入單片機的I／O口，并按照控制信號的時序向鎖相環(huán)芯片寫控制數(shù)據(jù)，便可控制鎖相環(huán)芯片。

    MUXOUT是芯片的復用引腳，可配置成鎖定檢測輸出，即當環(huán)路鎖定時該引腳便輸出高電平或低電平。所以環(huán)路鎖定時間測量原理為：將MUXOUT引腳連接到單片機的外部中斷引腳，當單片機發(fā)送完數(shù)據(jù)后打開其內(nèi)部定時器，環(huán)路鎖定后MUXOUT引腳便會觸發(fā)單片機的外部中斷，在單片機的中斷程序中記錄下定時器的值便可準確測量到環(huán)路的鎖定時間。
    通過比較發(fā)現(xiàn)，各類型鎖相環(huán)芯片的編程接口除了上述共同點以外還存在如下幾點差異：輸入接口所要求的電平不同；MUXOUT的鎖定指示輸出不同，即不同芯片的MUXOUT有可能輸出高電平表示鎖定，也有可能輸出低電平表示鎖定；DATA輸入的順序不同，例如當控制數(shù)據(jù)為1011時，某些芯片要求數(shù)據(jù)逆序輸入，即輸入順序為1101；DATA位數(shù)不同，不同芯片的控制數(shù)據(jù)不盡一致，因此數(shù)據(jù)位數(shù)也不一致。本文中前2點差異通過硬件電路解決，后2點通過上位機和下位機軟件解決。

2 硬件設計
    本系統(tǒng)中的單片機選擇AT89C51，主要基于2點考慮：AT89C51內(nèi)置RS 232串口控制器，系統(tǒng)僅需外接串口驅(qū)動器即可完成與上位機的硬件連接；鎖相環(huán)的鎖定時間范圍一般位于1μs～1 ms之間，AT89C51內(nèi)有兩路定時器可選擇，若外接12 MHz的晶振，則可實現(xiàn)精度為1μs范圍為65．536 ms的定時器，滿足測量要求。
    系統(tǒng)使用單片機的外部中端INIT0來檢測環(huán)路是否鎖定，INIT0中斷可配置為下降沿觸發(fā)。串口驅(qū)動器采用MAX232，該芯片主要負責將單片機的輸出電平轉(zhuǎn)化為差分電平以便與PC機通信。該芯片中有兩路獨立的通道，這里使用其中的T2／R2。

3 軟件設計
3．1 上位機設計
    系統(tǒng)的整個軟件部分包括PC中的上位機和單片機中的下位機。上位機設計基于VC6．0中的MFC應用軟件框架。上位機流程圖如圖3所示。

    上位機流程主要基于一個前后臺系統(tǒng)，用一個死循環(huán)來不停的監(jiān)聽用戶輸入和串口中斷。如前文所述，鎖相環(huán)芯片的控制數(shù)據(jù)都是以串行方式送入DATA引腳的，不同廠商的鎖相環(huán)芯片控制數(shù)據(jù)的接收順序會不同。因此在上位機軟件中需添加一個接口來讓用戶來告知下位機控制數(shù)據(jù)的發(fā)送順序。同時控制數(shù)據(jù)的長度也需預先確定，以防止下位機在控制數(shù)據(jù)傳輸完畢前便將控制數(shù)據(jù)送與鎖相環(huán)。因為串口是以字節(jié)為單位傳輸，所以數(shù)據(jù)長度以字節(jié)為單位。上位機界面如圖4所示。
3．2 下位機設計
    單片機中的下位機負責控制鎖相環(huán)并測量鎖定時間。流程圖如圖5所示。

    下位機也是基于一個前后臺系統(tǒng)，在一個死循環(huán)內(nèi)等待各中斷響應。在單片機向鎖相環(huán)發(fā)送完控制數(shù)據(jù)后開啟外部中斷，若有外部中斷響應則在中斷服務程序中讀取定時器的值，即為鎖定時間，中斷結(jié)束后將定時器清零，以便再次測量；若當定時器溢出時仍未收到外部中斷，表明鎖相環(huán)未能鎖定，則發(fā)送未鎖定信息給上位機。這里設置了3個中斷向量分別為外部中斷、定時器T0中斷、串口中斷。在默認情況下它們的中斷優(yōu)先級依次從高到低，為防止不必要的中斷嵌套，在響應其中一個中斷服務時應將另兩個中斷關(guān)掉，中斷服務結(jié)束后再開啟。
    AT89C51有兩路定時／計數(shù)器T0，T1。本系統(tǒng)中T1用來設置串口的波特率，串口有4種工作方式，本文使用方式1，即8位異步通信接口，一幀數(shù)據(jù)有10位，1位起始位，一位停止位。T0用來測量鎖定時間，T0定時器使用系統(tǒng)時鐘的12分頻作為時鐘源，將T0配置為16位定時器模式，所以環(huán)路鎖定時間可由下式確定，單位為μs。
    T=(TH0×256+TL0)×Tosc×12       (1)
    式中：TH0，TL0分別是在外部中斷服務程序中讀到的定時器T0的數(shù)據(jù)寄存器高8和低8位；Tosc是單片機外接晶振的振蕩周期，本文外接晶振為12 MHz，即為1／12μs，因此本系統(tǒng)可實現(xiàn)精度為1μs的時間測量。根據(jù)圖2所示的時序圖，單片機向鎖相環(huán)發(fā)送控制數(shù)據(jù)的子程序如下：

   

4 結(jié)語
    本文采用MFC、串口、AT89C51所設計的測量系統(tǒng)能準確測量鎖相環(huán)的鎖定時間，精度達到1μs；并且有很強的通用性，能兼容常見的各類鎖相環(huán)芯片。系統(tǒng)上位機的人機操作界友好，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單。