基于單片機的實(shí)用數字信號源與頻率計設計

摘要：在科研和裝備的檢測工作中經(jīng)常需要產(chǎn)生一些頻率固定或可變的信號，本設計由單片機、編碼器、按鍵、顯示器產(chǎn)生所需頻率的信號，同時(shí)也可以測量輸入信號頻率。實(shí)際應用表明，本數字信號源電路簡(jiǎn)單、操作使用簡(jiǎn)便、性能穩定可靠，能夠很好滿(mǎn)足科研和實(shí)驗的要求。

關(guān)鍵詞：智能儀器設計;數字信號源;頻率計;單片機

在科研、實(shí)驗和裝備檢測等很多工作中，經(jīng)常需要頻率可變或固定的TTL電平信號，也需要測量輸入的TTL電平信號頻率。目前，市場(chǎng)上有各種各樣的數字信號源和頻率計，但這些產(chǎn)品一般都是體積比較大、功能很龐大、價(jià)格也比較昂貴，往往不適合一些需要小體積信號源和頻率計的應用場(chǎng)合需要。文中基于單片機技術(shù)設計了數字信號源和頻率計，該作品能夠很好地產(chǎn)生固定或可變頻率的信號，并能測量輸入信號頻率，可以滿(mǎn)足院校的日常教學(xué)使用和裝備或設備維修檢測需要。

1 功能需求與硬件總體方案設計

1.1 功能需求

按照一般的實(shí)驗設備或裝備維修檢測需要，確定數字信號源和頻率計的主要功能和技術(shù)指標為：

1)單脈沖信號源：4路單脈沖信號，按下一個(gè)按鍵產(chǎn)生一個(gè)正脈沖;

2)固定輸出連續脈沖信號源：1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz、100 kHz方波;

3)頻率可調連續脈沖信號源：10 Hz～10 kHz可調。頻率可設并同步顯示;

4)頻率測量：10 Hz～10 kHz，分辨率2 Hz，更新速度：2次/秒。

1.2 硬件總體方案設計

數字信號源和頻率計的設計原則主要是縮小作品體積、降低作品硬件成本、提高作品的可靠性和使用便捷性等?？傮w方案設計主要涉及到顯示器選型、頻率設定電路選型、CPU選型、電路總體結構等方面。針對以上功能需求，確定本作品的硬件電路總體框圖如圖1所示。

圖1中，單片機為本作品的控制核心，主要完成人機接口控制、頻率設定、信號輸出和輸入信號頻率測量等功能，采用AT89C52型單片機。為了消除普通按鍵開(kāi)關(guān)產(chǎn)生脈沖時(shí)的抖動(dòng)，單脈沖輸出信號由按鍵S1～S4控制，經(jīng)單片機處理后分別輸出4路脈沖信號。

編碼器和數位控制按鈕是用于設定頻率可調脈沖的頻率的。編碼器正反轉控制數字在0～9之間的加與減，數位控制按鈕(向左和向右，共2個(gè))用以確定控制的數位。

信號源/頻率計選擇由一位信號控制，高電平(控制開(kāi)關(guān)懸空)為信號源，低電平(控制開(kāi)關(guān)接地)為頻率計。頻率可調輸出與測頻輸入共用一個(gè)單片機接口(P3.5)。選擇控制信號和輸出/輸入信號在基板上由一個(gè)雙路開(kāi)關(guān)控制。

顯示器采用1602液晶顯示模塊，用以顯示設定的頻率或測量的頻率。

采用蓄電池對整個(gè)電路進(jìn)行供電，可以提高設備使用的便捷性。

2 數字信號源硬件電路設計

數字信號源和頻率計的硬件電路設計主要包括頻率設定電路、顯示電路和單片機電路設計等。

2.1 頻率設定電路設計

頻率的設定一般可以采用鍵盤(pán)、電位器、撥碼盤(pán)和編碼器等。其中鍵盤(pán)輸入方式最靈活，但需要較多的單片機接口資源支持，而且產(chǎn)品體積會(huì )比較大，不符合本作品小型化設計要求。采用電位器進(jìn)行輸入時(shí)，需要A/D轉換，成本高、電路復雜且難以精確設定，也不太適合。采用撥碼盤(pán)設定頻率，優(yōu)點(diǎn)是顯示與輸入一體化，但需要的單片機I/O資源也比較多，會(huì )影響單片機的選型。本設計采用編碼器輸入頻率值。

編碼器可根據內部結構的不同分為高分辨率和低分辨率的，高分辨率編碼器的內部一般采用光電型的，而低分辨率的編碼器則既有光電型的，也有機械接觸式的。對于光電型的，需要由外部為它提供供電電源;對于機械接觸型的，則不需要供電電源。不管何種形式，它們都至少會(huì )有A、B兩個(gè)輸出信號。當編碼器轉軸旋轉時(shí)，這兩個(gè)輸出信號波形如圖2所示。

將信號A輸入到單片機的INT0引腳，信號B輸入到單片機的INT1引腳。然后用INT0的下降沿中斷方式，在INT0中斷服務(wù)程序中，根據信號B(即 INT1腳)的狀態(tài)，來(lái)確定脈沖數的加或減。然后將脈沖數與頻率的某一位值相對應，頻率值的數位位置，可以用另外兩個(gè)按鈕來(lái)選擇。

2.2 顯示電路設計

顯示電路設計的關(guān)鍵問(wèn)題是顯示器件的選擇。對于類(lèi)似于本設計這樣的小型電子產(chǎn)品，可供選擇的器件有LED數碼顯示器和LCD顯示器，其中LED適用于室內，比較醒目;LCD比較精細，顯示信息多。本作品采用LCD1602型字符顯示器。它可以顯示2行各16個(gè)字符的各種ASCH碼字符，因此只要設計合理，就可以將要顯示的內容提示、結果信息等全部顯示出來(lái)，比一般的數碼管更直觀(guān)、更有效。1602字符型LCD顯示器接口信號說(shuō)明如表1所示。

2.3 單片機電路及I/O資源分配

綜合考慮上述各種電路及其I/O資源需求，選擇AT89C52單片機作為本作品的CPU，從而得到本作品主控板電路原理如圖3所示。

控板采用AT89C52型單片機作為CPU芯片。主控板的外形設計成與1602型LCD顯示器相同大小，并且其固定孔和連接器位置也與LCD直接對應，這樣便于將其與LCD直接固定為一體，從而既可以縮小測試儀的體積，也便于設備維護。

主控板設計的核心問(wèn)題是CPU的I/O端口的分配問(wèn)題，信號源所需的I/O資源如表2所示。

從表2可見(jiàn)，測試儀所需的信號數量為31個(gè)，因此一個(gè)單片機即可滿(mǎn)足需要。

3 數字信號源軟件設計

3.1 軟件系統總體方案設計

信號源采用點(diǎn)陣液晶顯示器來(lái)顯示輸出信號頻率和頻率測量結果，設置需要產(chǎn)生的信號頻率過(guò)程中，要顯示相關(guān)輔助信息和測量結果，這就需要相對復雜的軟件配合。本作

品的軟件系統總體框圖如圖4所示。

圖4中初始化程序為所有變量給定初值，并對顯示屏進(jìn)行清屏、設置顯示模式、光標位置等操作;定頻信號產(chǎn)生程序是通過(guò)簡(jiǎn)單的運算，然后輸出六路固定頻率的信號;變頻信號產(chǎn)生程序是根據編碼器輸出的信號頻率，通過(guò)一系列的計算后，給相應寄存器賦值，從而產(chǎn)生用戶(hù)所需頻率的信號;單脈沖信號產(chǎn)生程序主要目的是消除按鍵的抖動(dòng)信號，使每按一次按鍵就產(chǎn)生一個(gè)單脈沖信號;頻率測量程序用于外部輸入信號頻率的測量;頻率設定程序是利用單片機的外部中斷測量輸入信號，從而確定需要輸出的頻率;顯示程序負責幫助用戶(hù)設定所需要的輸出頻率和對輸入信號頻率進(jìn)行顯示。

3.2 軟件系統主程序流程設計

由于系統可以輸出多種模式的信號，同時(shí)還兼有頻率計的功能，所以每個(gè)模塊執行的子程序中要求給予輸入參數提示。系統主程序流程如圖5所示，在初始化階段，對系統中相關(guān)參數進(jìn)行定義賦初值，初始化后進(jìn)入功能設置，根據功能鍵值，調用對應的功能模塊子程序。根據提示輸入所需要設置的參數，確認后按執行鍵執行。

4 結論

根據上述軟硬件設計方法制作了數字信號源和頻率計樣機，并對樣機進(jìn)行了參數測量。實(shí)測結果表明，本數字信號源可以便捷地產(chǎn)生頻率固定或可變的連續脈沖信號和單脈沖信號，且可以實(shí)現對輸入信號頻率的測量。整機結構簡(jiǎn)單、性能穩定、便于攜帶，因此既可以應用于院校的日常教學(xué)實(shí)驗中，也可以用于裝備的日常檢修中，具有較高的性?xún)r(jià)比。