基于FPGA和單片機(jī)的多功能計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

一、系統(tǒng)方案

　　方案1：采用中小規(guī)模數(shù)字電路構(gòu)成系統(tǒng)，由計(jì)數(shù)器構(gòu)成主要的測(cè)量模塊。用定時(shí)器組成主要的控制電路。此方案軟件設(shè)計(jì)簡單，但外圍芯片過多，且頻帶窄，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，功能不強(qiáng)，而且不能程控和擴(kuò)展。

　　方案2：采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送入單片機(jī)，利用其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，但單片機(jī)在處理高速信號(hào)時(shí)略顯吃力。

　　方案3：利用FPGA對(duì)調(diào)理后的被測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)，單片機(jī)軟件執(zhí)行高精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算并顯示。單片機(jī)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯控制和人機(jī)交互功能;大規(guī)模現(xiàn)場可編程器件(FPGA)實(shí)現(xiàn)外圍計(jì)數(shù)功能。電路框圖如圖1所示。

　
　圖1 方案3系統(tǒng)框圖

　　方案比較與選擇：方案1 采用中小規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)電路較復(fù)雜，擴(kuò)展性能差;方案2用外圍電路配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，信號(hào)頻率比較高時(shí)需外加分頻電路，影響測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且單片機(jī)任務(wù)繁重，給軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試工作帶來不便;方案3用一片高度集成的可編程邏輯器件可完成有關(guān)電路所有模塊的設(shè)計(jì)，大大降低了電路復(fù)雜度，減少引線信號(hào)間的干擾，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。加上單片機(jī)控制，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，輔以有效的軟件濾波算法，能夠進(jìn)一步提高測(cè)量精度，且控制靈活、易于擴(kuò)展和調(diào)試簡單，能夠達(dá)到題目要求。故本設(shè)計(jì)采用方案3，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　二、理論分析與計(jì)算

　　1、頻率和周期測(cè)量方法分析

　　由于頻率和周期之間存在倒數(shù)關(guān)系(f=1/T)，所以只要測(cè)得兩者中的一個(gè)，另一個(gè)可通過計(jì)算求得。

　　1)直接測(cè)量法 對(duì)測(cè)頻在低頻端1Hz時(shí)，若閘門時(shí)間為1s，其 ±1量化誤差大到100%。為了滿足測(cè)試精度的要求，顯然不能采用直接測(cè)量法;

　　2)直接與間接測(cè)量相結(jié)合的方法 需對(duì)被測(cè)頻率和中界頻率的關(guān)系進(jìn)行判斷，在中界頻率附近仍不能達(dá)到較高的測(cè)量精度;

　　3)等精度測(cè)量法 圖2為等精度測(cè)頻、測(cè)周原理方框圖。

　　
圖2 等精度測(cè)頻原理圖

2 相位差測(cè)量方法分析

　　相位差的測(cè)量有很多種方法，如相位—電壓轉(zhuǎn)換法、數(shù)值取樣法和相位差—時(shí)間轉(zhuǎn)換法等。其中相位差—時(shí)間轉(zhuǎn)換法實(shí)際上是測(cè)量兩個(gè)正弦信號(hào)波形上兩個(gè)相應(yīng)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔t，若兩被測(cè)信號(hào)周期均為T，則時(shí)間間隔t對(duì)應(yīng)的相位差為：

　　如果只測(cè)量一個(gè)周期的t和T，無法滿足寬頻帶被測(cè)信號(hào)的測(cè)量精度。如果時(shí)間間隔t和周期T測(cè)量值比較準(zhǔn)確，再通過單片機(jī)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算及誤差修正，就可以達(dá)到精度要求。按照這一思路，結(jié)合上面對(duì)等精度測(cè)頻、測(cè)周原理及誤差的分析可知，此方法是切實(shí)可行的。

　　設(shè)門控信號(hào)的開啟時(shí)間為tc ，計(jì)數(shù)值為N，則tc=NT0 (5)

　　式中T0 為時(shí)標(biāo)信號(hào)的周期，由(5)式和(6)式得

　　式中f為被測(cè)信號(hào)頻率，10HZ≤f≤100kHZ ，f0 為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基，N為計(jì)數(shù)值。

　　3 寬帶通道放大器分析

　　因?yàn)槿龢O管放大電路參數(shù)選擇復(fù)雜，低頻特性不好，抗噪性能差。因此，設(shè)計(jì)中采用了寬頻帶、低噪聲、高輸人阻抗的運(yùn)算放大器組成高精度放大電路，以獲得良好的頻率特性和抗干擾能力。輸入通道中的放大級(jí)設(shè)計(jì)主要考慮增益和帶寬的指標(biāo)。題目要求能夠測(cè)量信號(hào)幅度峰值范圍約為14mv～7.07v。這個(gè)范圍是比較寬的，既涉及到小信號(hào)放大，又要考慮比較器輸入電壓限制問題，因此，應(yīng)根據(jù)信號(hào)幅度大小分段選擇放大器的增益。還有就是要滿足運(yùn)放增益帶寬積的要求。

　　三、電路與程序設(shè)計(jì)

　　1 輸入通道電路設(shè)計(jì)

　　待測(cè)頻率信號(hào)由于衰減、傳輸干擾等原因，不能直接用于測(cè)量，需要經(jīng)過處理后才能適合邏輯控制器的輸入。輸入通道組成框圖如圖3所示。

　
　圖3 輸入通道組成框圖

　　圖4 放大電路原理

　　輸入信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器緩沖后進(jìn)入放大通路，靈敏度控制采用單片機(jī)控制繼電器的通斷來選擇不同的放大倍數(shù)，被放大的信號(hào)經(jīng)比較器輸出與被測(cè)信號(hào)同頻率的方波計(jì)數(shù)信號(hào)若要測(cè)相位差，則同頻信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入移相網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)過零比較得到移相后的計(jì)數(shù)信號(hào)。

　　比較器采用滯回接法，詳細(xì)電路見附錄一，從而避免了過零點(diǎn)信號(hào)的毛刺造成整形信號(hào)的誤翻轉(zhuǎn)。其中放大電路基本原理如圖4所示，其中Rf為反饋電阻，R為輸入端電阻，有

　　Uo = - Ui × ( Rf / R ) (7)

　　由式(7)知，調(diào)節(jié)Rf的大小即可調(diào)整電路的增益。

　　移相網(wǎng)絡(luò)電路如圖5所示。

　
圖5 移相網(wǎng)絡(luò)電路圖

　　圖6 FPGA功能實(shí)現(xiàn)框圖

　　對(duì)圖5電路分析知，兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的振幅特性均為A(ω)=1 ，前級(jí)網(wǎng)絡(luò)相頻特性為

可見此為超前網(wǎng)絡(luò);后級(jí)網(wǎng)絡(luò)相頻特性為

　　所以相位發(fā)生滯后，通過改變阻值r即可實(shí)現(xiàn)相移量調(diào)整。兩級(jí)級(jí)聯(lián)后移相范圍為0~360°。

2 FPGA 功能實(shí)現(xiàn)模塊

　　FPGA實(shí)現(xiàn)部分主要分為信號(hào)同步處理,等精度計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理及傳輸3部分，如圖6所示。FPGA采用Altera公司的EP2gC5Q208C8，經(jīng)分析知能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求。

　　(1) 同步處理電路 待測(cè)信號(hào)從外時(shí)鐘域進(jìn)入,屬于異步信號(hào),對(duì)測(cè)量精度乃至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定都有很大的影響,在這里,先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次采樣進(jìn)行消抖,濾去可能存在的毛刺, 然后進(jìn)行一級(jí)同步處理，盡可能有效地對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步處理。

　　(2)計(jì)數(shù)測(cè)量 采用等精度法測(cè)頻率,利用相位~時(shí)間轉(zhuǎn)換法進(jìn)行相位差測(cè)量,并將測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存。

　　(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 將得到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù) 再通過時(shí)序控制將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，然后單片機(jī)以其自身的時(shí)鐘頻率進(jìn)行讀取,從而有效地消除跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)處理時(shí)所造成的不穩(wěn)定影響。.

　　3 單片機(jī)控制模塊

　　在本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用MSP430F149，主要完成放大通路靈敏度選擇、讀取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及處理和鍵盤與顯示接口等三種功能。其中靈敏度選擇是通過控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)通路切換;按鍵采用紅外遙控方式，其中發(fā)射部分采用 PT2221，接收部分采用高靈敏度、高度集成的一種新型紅外遙控接收光電模塊HS0038，然后通過單片機(jī)直接軟件解碼處理，進(jìn)而執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序;因?yàn)橐瑫r(shí)顯示較多數(shù)據(jù)，所以我們采用字符型液晶顯示。

　　4 主程序流程圖

　　單片機(jī)系統(tǒng)主要流程圖如圖7所示，具體程序見附錄三。

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