CY8C29666芯片的高精度頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

 引言

在電工技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其他許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。隨著航天軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對時間及頻率的測量精度有了更高的要求。但是在現(xiàn)有基于單片機、CPLD等的測頻設(shè)備中，在高頻率的工作條件下工作不夠穩(wěn)定，電路板的設(shè)計比較困難，測量精度達(dá)不到系統(tǒng)要求的數(shù)量級。因此，研究測量精度更高的測量設(shè)備具有重大意義。

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress公司推出的一款基于通用IP模塊，并且具有真正混合信號處理能力的可編程片上系統(tǒng)芯片。在PSoC芯片的設(shè)計中，設(shè)計者可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計。使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。因此，PSoC能夠滿足非常復(fù)雜的實時控制需求，使用它進行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費用，同時增強系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，PSoC特別適用于各種控制和自動化領(lǐng)域。

1 測量原理

頻率測量主要有測頻法和測周法兩種。測頻法就是在確定的閘門時間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))Nx，則被測信號的頻率為fx=Nx/Tw。測周法需要有標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號fs，在待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周期數(shù)Ns，則被測信號的頻率為fx=fs/Ns;在多個周期內(nèi)，記錄被測頻率的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))Nx，則被測頻率為fx=fs×Nx/Ns。這兩種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生±1個脈沖誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。

本設(shè)計采用多周期同步測頻法：首先通過對定時器的設(shè)定來預(yù)置閘門時間。將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和被測頻率信號分別輸入兩個計數(shù)器進行多個周期的同步計數(shù)。預(yù)置閘門時間結(jié)束時，兩個計數(shù)器并不停止計數(shù)，而是等到被測頻率信號下一個同相位觸發(fā)沿到來之后才關(guān)閉同步門并停止計數(shù)。因此，測量結(jié)果的精度僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，誤差由被測頻率的±1個脈沖減少到標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的±1個脈沖，測量精度有顯著提高。多周期同步測頻法原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

由原理分析可知，采用多周期同步測頻法測量單路信號頻率時，至少需要一個能提供閘門信號的定時器，一個控制實際閘門信號在被測信號上升沿處啟停的同步控制模塊，以及兩個分別對實際閘門內(nèi)的被測頻率信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進行計數(shù)的計數(shù)器。由運算器對計數(shù)器的結(jié)果進行運算，求出被測頻率值，最后通過顯示模塊顯示測量結(jié)果。

在兩路信號頻率測量中，不同信號的閘門信號產(chǎn)生電路和計數(shù)器都是彼此獨立的，但其控制運算部分都由CPU來完成。基于對PsoC內(nèi)部資源上的考慮，本設(shè)計采用1片PSoC芯片CY8C29666作為頻率測量系統(tǒng)的主體部分，每個PsoC芯片內(nèi)部至少需要配置2個定時器功能模塊和4個計數(shù)器功能模塊。各計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果輸入到CPU中進行計算，得到的被測信號頻率值并輸出到顯示部分。

PSoC芯片是整個頻率測量系統(tǒng)的核心，其配置方式的可行性和合理性直接關(guān)系到系統(tǒng)功能能否順利實現(xiàn)。本設(shè)計中使用PSoC Designer軟件中的器件編輯器對CY8C29666內(nèi)部的全局資源、用戶模塊、連接關(guān)系以及芯片引腳進行配置，在此基礎(chǔ)上添加外部器件，即可完成系統(tǒng)的硬件平臺的搭建。本設(shè)計中，兩路信號對應(yīng)的處理部分將系統(tǒng)資源一分為二，即定時器模塊均為8位，兩個被測頻率計數(shù)器均為16位，兩個標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)器均為32位。

定時器的配置方式是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。定時器模塊是由1個周期寄存器、1個同步遞減計數(shù)器和1個捕獲比較寄存器組成。周期寄存器和捕獲比較寄存器中要分別存放兩個值，即Period和CompareValue，這兩項值決定著閘門時間的長短。定時器模塊共有兩項輸出：比較輸出和最終計數(shù)輸出。其中比較輸出連到同步控制模塊，用于產(chǎn)生同步使能信號;最終計數(shù)輸出端接到指定的GPIO引腳，用來判斷何時讀取計數(shù)器的計數(shù)值及重寫計數(shù)器的初值。

開啟定時器后，遞減計數(shù)器由Period值開始遞減，同時兩個輸出端均輸出低電平。當(dāng)計數(shù)值等于Compare Value時，在下一個系統(tǒng)時鐘上升沿，比較輸出端輸出高電平，直至計數(shù)值遞減到零時，比較輸出跳低——這樣就產(chǎn)生了定閘門信號。定閘門信號進入同步控制模塊，產(chǎn)生與被測信號上升沿同步的使能信號。兩個計數(shù)器在使能信號為高時開始遞減計數(shù)。當(dāng)使能信號跳低后，計數(shù)器暫停計數(shù)。讀取當(dāng)前計數(shù)值，即可計算出測量結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的程序設(shè)計主要由主程序、中斷服務(wù)子程序和顯示子程序構(gòu)成。為了使設(shè)計出來的軟件功能明確，便于調(diào)試、擴展和移植，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。主程序如圖3所示。

需要注意的是，定時器最終計數(shù)結(jié)束后的下一個系統(tǒng)時鐘周期，定時器會自動重新加載計數(shù)初值，所以要在此之前讀取兩計數(shù)器的計數(shù)值。故使用定時器的最終計數(shù)輸出功能，在此時輸出一個脈沖觸發(fā)中斷，即可通過編寫中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)讀取計數(shù)值，并重置計數(shù)器初值的功能。

3 實驗結(jié)果及誤差分析

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，通過配置定時器模塊得到的閘門時間為T，被測信號頻率的理論值為fxe，T時間內(nèi)計數(shù)器對被測頻率信號和基準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值分別為Nx和Ns，則被測信號的頻率為fx=fs×Nx/Ns。在忽略基準(zhǔn)頻率fs誤差的情況下，測頻可能產(chǎn)生的誤差為：

δ=[(fxe-fx)/fxe]×100% (1)

由于測量中兩計數(shù)器的計數(shù)啟停都由fx的上升沿觸發(fā)，即實際閘門時間為被測頻率信號的整數(shù)倍，故對fx計數(shù)不存在誤差;對fs的計數(shù)Ns最多相差一個脈沖的誤差，即|△ Ns| ≤1，此時測量頻率為：

由式(3)可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和基準(zhǔn)信號頻率有關(guān)。閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測頻的相對誤差就越小。這里選定標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為48 MHz，閘門時間分別為10 s和10 ms的情況。通過計算可知：閘門時間為10 s時，理論誤差為2.083×10-9;閘門時間為10 ms時，理論誤差為2.083×10-8。系統(tǒng)電路安裝調(diào)試成功后，對上述結(jié)果進行驗證。兩路輸入信號分別取自綠楊牌YB1631信號發(fā)生器以及信達(dá)牌XD11BH多用信號發(fā)生器。被測信號參考頻率由Keithley 2000數(shù)字萬用表測得。測量結(jié)果如表1所列。

由表1可知，本設(shè)計測量結(jié)果的相對精度在10-6以上，基本達(dá)到設(shè)計精度要求，但是與理論誤差相比還有一定差距。原因有兩方面：一方面在現(xiàn)有的實驗室條件下，沒有頻率精度更高的頻率計，故以其為標(biāo)準(zhǔn)計算得到的誤差只能作為參考，更高的測量精度無法驗證;另一方面是系統(tǒng)本身存在誤差。

結(jié)語

本系統(tǒng)以PSoC芯片CY8C29666為核心，以多周期同步測頻法為基礎(chǔ)，充分利用了PSoC芯片內(nèi)部集成的功能模塊資源，完成了兩路信號頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計。其硬件電路簡單，提高了頻率測量的精度，實現(xiàn)了高集成度、高速和高可靠性。同時，由于PSoC器件的體積和功能優(yōu)勢，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，進一步降低了成本。