基于FPGA的多功能頻率計的設計與實(shí)現

頻率是電信號中重要的物理量，在電子、通信系統中，信號的頻率穩定度決定了整個(gè)系統的性能，準確測量信號的頻率是系統設計的重要內容。

單片機廣泛地應用于電子系統設計，其性?xún)r(jià)比高，大量的外圍接口電路，使基于單片機的電子系統設計方便，周期縮短。然而，單片機的串行工作特點(diǎn)決定了它的低速性和程序跑飛，另外還存在抗干擾能力不強等缺點(diǎn)。EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)以計算機為工具，在Quartus II軟件平臺上，對以硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL/VHDL為系統邏輯描述手段完成的設計文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯仿真，直至對特定目標芯片的適配、編譯、邏輯映射和編程下載等工作，FPGA是純硬件結構，具有較強的抗干擾能力。

文中在FPGA芯片中嵌入MC8051 IP Core，作為控制核心，利用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，設計了以MC8051 IPCore為核心的控制模塊、計數模塊、鎖存模塊和LCD顯示模塊等模塊電路，采用等精度測量法，實(shí)現了頻率的自動(dòng)測量，測量范圍為0.1 Hz～50 MHz，測量誤差小于0.01%。

1 8051IP(Intelligent Property)軟核

8051單片機是以由VQM原碼(Verilog Quartus Mapping File)表達的，在QuartusII環(huán)境下能與VHDL、Verilog HDL等其他硬件描述語(yǔ)言混合編譯綜合，并在單片FPGA中實(shí)現全部硬件系統。

MC8051單片機核含有8位復雜指令CPU，存儲器采用哈佛結構，其結構框圖如圖1所示。

MC8051的指令系統與8051/2、8031/2等完全兼容，硬件部分也基本相同，例如可接64KB外部存儲器，可接256字節內部數據RAM，含兩個(gè)16位定時(shí)/計數器，全雙工串口，含節省功耗工作模式，中斷響應結構等。不同之處主要有：

1)MC8051是以網(wǎng)表文件的方式存在的，只有通過(guò)編譯綜合，并載入FPGA中才以硬件的方式工作，而普通8051總是以硬件方式存在的;

2)MC8051無(wú)內部ROM和RAM，所有程序ROM和內部RAM都必須外接。

3)以軟核方式存在能進(jìn)行硬件修改和編輯;能對其進(jìn)行仿真和嵌入式邏輯分析儀實(shí)現實(shí)時(shí)時(shí)序測試;能根據設計者的意愿將CPU、RAM、ROM、硬件功能模塊和接口模塊等實(shí)現于同一片FPGA中(即SOC)。

4)與普通8051不同，MC8051的4個(gè)I/O口是分開(kāi)的。

MC8051核在接上了ROM和RAM后就成為一個(gè)完整的8051或8052單片機了，MC8051核實(shí)用系統的最基本構建頂層原理圖如圖2所示，主要由4個(gè)部件構成。

1)MC8051核。CPU_Core即MC8051單片機核如圖3所示，由VQM原碼表述：CPU_Core.vqm，可以直接凋用。該元件可以與其他不同語(yǔ)言表述的元件一同綜合與編譯。

2)嵌入式鎖相環(huán)PLL50。其輸入頻率設置為50 MHz，MC8051能接受的工作時(shí)鐘頻率上限取決于FPCA的速度級別。

3)程序ROM，LPM_ROM。采用ROM容量的大小也取決于FPGA所含的嵌入RAM的大小。設置的ROM容量是4k字節。此ROM可以加載HEX格式文件作為單片機的程序代碼。HEX程序代碼可以直接使用普通8051單片機程序編譯器生成。

4)數據RAM，LPM_RAM。本系統設置的LPM_RAM容量是256字節。高128字節須用間接尋址方式訪(fǎng)問(wèn)。