基于FPGA和單片機的多功能計數器設計

一、系統方案

　　方案1：采用中小規模數字電路構成系統，由計數器構成主要的測量模塊。用定時(shí)器組成主要的控制電路。此方案軟件設計簡(jiǎn)單，但外圍芯片過(guò)多，且頻帶窄，實(shí)現起來(lái)較復雜，功能不強，而且不能程控和擴展。

　　方案2：采用單片機實(shí)現。被測信號經(jīng)調理后送入單片機，利用其內部的計數器完成計數，然后再進(jìn)行數據處理和顯示，但單片機在處理高速信號時(shí)略顯吃力。

　　方案3：利用FPGA對調理后的被測信號實(shí)現高速計數，單片機軟件執行高精度浮點(diǎn)數運算并顯示。單片機完成系統的數據處理、邏輯控制和人機交互功能;大規?，F場(chǎng)可編程器件(FPGA)實(shí)現外圍計數功能。電路框圖如圖1所示。

　
　圖1 方案3系統框圖

　　方案比較與選擇：方案1 采用中小規模集成電路來(lái)實(shí)現，系統電路較復雜，擴展性能差;方案2用外圍電路配合單片機實(shí)現測量功能，信號頻率比較高時(shí)需外加分頻電路，影響測量精度和系統穩定性，且單片機任務(wù)繁重，給軟件設計和調試工作帶來(lái)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)電路所有模塊的設計，大大降低了電路復雜度，減少引線(xiàn)信號間的干擾，提高電路的可靠性和穩定性。加上單片機控制，應用單片機的數學(xué)運算和控制功能，輔以有效的軟件濾波算法，能夠進(jìn)一步提高測量精度，且控制靈活、易于擴展和調試簡(jiǎn)單，能夠達到題目要求。故本設計采用方案3，系統框圖如圖1所示。

　　二、理論分析與計算

　　1、頻率和周期測量方法分析

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

　　1)直接測量法 對測頻在低頻端1Hz時(shí)，若閘門(mén)時(shí)間為1s，其 ±1量化誤差大到100%。為了滿(mǎn)足測試精度的要求，顯然不能采用直接測量法;

　　2)直接與間接測量相結合的方法 需對被測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到較高的測量精度;

　　3)等精度測量法 圖2為等精度測頻、測周原理方框圖。

　　
圖2 等精度測頻原理圖

2 相位差測量方法分析

　　相位差的測量有很多種方法，如相位—電壓轉換法、數值取樣法和相位差—時(shí)間轉換法等。其中相位差—時(shí)間轉換法實(shí)際上是測量?jì)蓚€(gè)正弦信號波形上兩個(gè)相應點(diǎn)之間的時(shí)間間隔t，若兩被測信號周期均為T(mén)，則時(shí)間間隔t對應的相位差為：

　　如果只測量一個(gè)周期的t和T，無(wú)法滿(mǎn)足寬頻帶被測信號的測量精度。如果時(shí)間間隔t和周期T測量值比較準確，再通過(guò)單片機對實(shí)測數據進(jìn)行高精度浮點(diǎn)數運算及誤差修正，就可以達到精度要求。按照這一思路，結合上面對等精度測頻、測周原理及誤差的分析可知，此方法是切實(shí)可行的。

　　設門(mén)控信號的開(kāi)啟時(shí)間為tc ，計數值為N，則tc=NT0 (5)

　　式中T0 為時(shí)標信號的周期，由(5)式和(6)式得

　　式中f為被測信號頻率，10HZ≤f≤100kHZ ，f0 為標準時(shí)基，N為計數值。

　　3 寬帶通道放大器分析

　　因為三極管放大電路參數選擇復雜，低頻特性不好，抗噪性能差。因此，設計中采用了寬頻帶、低噪聲、高輸人阻抗的運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設計主要考慮增益和帶寬的指標。題目要求能夠測量信號幅度峰值范圍約為14mv～7.07v。這個(gè)范圍是比較寬的，既涉及到小信號放大，又要考慮比較器輸入電壓限制問(wèn)題，因此，應根據信號幅度大小分段選擇放大器的增益。還有就是要滿(mǎn)足運放增益帶寬積的要求。

　　三、電路與程序設計

　　1 輸入通道電路設計

　　待測頻率信號由于衰減、傳輸干擾等原因，不能直接用于測量，需要經(jīng)過(guò)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控制繼電器的通斷來(lái)選擇不同的放大倍數，被放大的信號經(jīng)比較器輸出與被測信號同頻率的方波計數信號若要測相位差，則同頻信號經(jīng)放大后進(jìn)入移相網(wǎng)絡(luò )，然后經(jīng)過(guò)零比較得到移相后的計數信號。

　　比較器采用滯回接法，詳細電路見(jiàn)附錄一，從而避免了過(guò)零點(diǎn)信號的毛刺造成整形信號的誤翻轉。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，調節Rf的大小即可調整電路的增益。

　　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)現框圖

　　對圖5電路分析知，兩級網(wǎng)絡(luò )的振幅特性均為A(ω)=1 ，前級網(wǎng)絡(luò )相頻特性為

可見(jiàn)此為超前網(wǎng)絡(luò );后級網(wǎng)絡(luò )相頻特性為

　　所以相位發(fā)生滯后，通過(guò)改變阻值r即可實(shí)現相移量調整。兩級級聯(lián)后移相范圍為0~360°。

2 FPGA 功能實(shí)現模塊

　　FPGA實(shí)現部分主要分為信號同步處理,等精度計數和數據處理及傳輸3部分，如圖6所示。FPGA采用Altera公司的EP2gC5Q208C8，經(jīng)分析知能夠實(shí)現題目要求。

　　(1) 同步處理電路 待測信號從外時(shí)鐘域進(jìn)入,屬于異步信號,對測量精度乃至整個(gè)系統的穩定都有很大的影響,在這里,先對輸入信號進(jìn)行一次采樣進(jìn)行消抖,濾去可能存在的毛刺, 然后進(jìn)行一級同步處理，盡可能有效地對異步信號進(jìn)行同步處理。

　　(2)計數測量 采用等精度法測頻率,利用相位~時(shí)間轉換法進(jìn)行相位差測量,并將測得數據進(jìn)行寄存。

　　(3) 數據存儲 將得到的并行數據轉換為串行數據 再通過(guò)時(shí)序控制將數據寫(xiě)入雙口RAM，然后單片機以其自身的時(shí)鐘頻率進(jìn)行讀取,從而有效地消除跨時(shí)鐘域數據處理時(shí)所造成的不穩定影響。.

　　3 單片機控制模塊

　　在本系統中，單片機采用MSP430F149，主要完成放大通路靈敏度選擇、讀取實(shí)測數據及處理和鍵盤(pán)與顯示接口等三種功能。其中靈敏度選擇是通過(guò)控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現通路切換;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(guò)單片機直接軟件解碼處理，進(jìn)而執行與之對應的中斷服務(wù)子程序;因為要同時(shí)顯示較多數據，所以我們采用字符型液晶顯示。

　　4 主程序流程圖

　　單片機系統主要流程圖如圖7所示，具體程序見(jiàn)附錄三。

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