基于A(yíng)tmega16L的高精度頻率調節器

1引言
在現代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測試中，我們需要相當精確的頻率來(lái)幫助判斷設備性能指標。而且我們希望能夠微調該頻率。采用壓控振蕩器得到的頻率不夠精確，微調頻率步驟煩瑣，耗時(shí)漫長(cháng)，因此有些測試項目限制了壓控振蕩器的使用。
Mega系列單片機是Atmel公司于2002年起陸續推出的。這款AVR增強型單片機具有速度快，抗干擾能力強，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了加快AVR單片機的軟件編制，Atmel以及第三方提供的開(kāi)發(fā)工具多種多樣，程序開(kāi)發(fā)方便有效。該單片機內部FLASH結構功能靈活，加鎖后很難解密，可以最大限度地保護知識產(chǎn)權。AVR單片機可以廣泛應用于通信、野外測試、汽車(chē)電子、醫療器械等領(lǐng)域，并且適用于各種低電壓、低功耗的場(chǎng)合。

本文提出一種方法能夠基于A(yíng)VR單片機，采用AD9850提供精確到1Hz的頻率信號，不但可以發(fā)生正弦波，也可以發(fā)生方波，從而為要求頻率精度高的企業(yè)解決了難題。它以Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作為核心，能夠方便、準確地控制輸出頻率。由于A(yíng)VR單片機實(shí)現了在線(xiàn)可編程，所以大大簡(jiǎn)化了設計步驟，加快了設計進(jìn)程，同時(shí)不會(huì )燒毀、燒費芯片，節約了成本。

圖1給出了該頻率調節器的整體設計框圖。用戶(hù)通過(guò)4×4鍵盤(pán)設定頻率值，AVR單片機使用I/O端口，掃描讀入頻率值。隨后AVR單片機控制AD9850調節到用戶(hù)要求的頻率。AD9850的輸出可以接電壓比較器整形為方波，也可以經(jīng)過(guò)低通濾波器限制帶寬，輸出正弦波形。AVR單片機同時(shí)控制液晶顯示模塊，使之實(shí)時(shí)顯示當前頻率。

圖1.頻率調節器整體框圖

2控制核心與頻率發(fā)生技術(shù)
2.1控制核心
本設計采用了Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作為控制核心。AVR單片機的單周期指令能夠保證高的執行效率和低成本，是精簡(jiǎn)指令集CPU中的高性能器件。AVR單片機可以提供高達16MIPS的執行時(shí)間，具有128K字節的可編程Flash存儲器，同時(shí)具備4096字節的靜態(tài)RAM。AVR單片機自帶看門(mén)狗定時(shí)器，在強烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設計中采用的Atmega16L還具有以下特點(diǎn)：
·內部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度；I/O端口引腳數多達32根；
·支持在線(xiàn)可編程功能，不需要頻繁從電路板插拔芯片；帶有可編程的支持同步傳輸的UART端口；
·支持三線(xiàn)傳輸SPI端口；具有方便的I2C總線(xiàn)端口，直接與Philips芯片接駁；
·支持JTAG邊界掃描電路；具有BOD低電壓檢測功能；
·內部有8路10位的A/D變換器；具有4個(gè)PMW，可以協(xié)

2.2AD9850頻率發(fā)生技術(shù)
AD9850是AD公司推出的低功耗直接數字頻率合成器芯片，可以產(chǎn)生從直流到62.5MHz的寬頻率信號，從投入市場(chǎng)到今天已經(jīng)應用在雷達系統、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應用在高精度測試中。本設計采用了AD9850作為波形發(fā)生器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

在控制流程中，AVR單片機為AD9850計算了頻率控制字，并且將頻率控制字寫(xiě)入其中。聯(lián)合小鍵盤(pán)上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，本設計使得頻率可以精確到步長(cháng)為1Hz的調節。它可以產(chǎn)生方波和正弦波。用戶(hù)要求產(chǎn)生正弦波時(shí)，我們設計了低通濾波器用來(lái)濾除信號的高頻分量。該低通濾波器還可以使用五階橢圓濾波器實(shí)現。圖2示出了本系統的AD9850電路設計圖。PC2——PC5可以同時(shí)作為I2C總線(xiàn)端口。

圖2AD9850電路設計

3輸入設備與輸出設備
3.1鍵盤(pán)輸入設備與相應軟件
本設計采用了4×4鍵盤(pán)作為頻率輸入設備。由于按鍵個(gè)數少，只有16個(gè)，需要表示從1Hz—10MHz的廣泛頻率，故在軟件設計中采用了AVR單片機掃描方式。將端口A(yíng)的8根I/O引腳全部作為掃描鍵盤(pán)使用。鍵盤(pán)定義除了0——9共10個(gè)數字之外，還定義了“退格”鍵、“全刪”鍵、“輸入”鍵、“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，這樣就可以極大地方便用戶(hù)隨時(shí)修改頻率和微調頻率。讀入用戶(hù)輸入的頻率值時(shí)，采用了延時(shí)防抖抗干擾的軟件程序。掃描變量的初始值設置為0xFE，以低電平0依次變化實(shí)現掃描。本單片機鍵盤(pán)掃描的C代碼如下所示：
sccode=0xFE;/*everyscaninitiativevalue,11111110*/
while(sccode!=0xEF)/*sccodeisnot11101111,follow;orreturn0*/
{
PORTA=sccode;/*sendscancode11111110toportA*/
PORTA=sccode;/*sendscancode11111110toportA*/
if((PINA0xF0)!=0xF0)/*readportA,ifhigh4bitsarenot1111,keypressedinthisline*/
{
recode=(PINA0xF0)|0x0F;/*portAhigh4bitsreserved,low4bitsare1111*/
while((PINA0xF0)!=0xF0)
{};
/*readportA,ifportAhigh4bitsarenot1111,keypressed,
ifkeypressed,wemustwait,waitforkeyreleased*/
return((~sccode)+(~recode));/*returnrow+column*/
}
else
{
sccode=(sccode1)|0x01;
/*scancodeleftshift1bit,add1toright,11111101*/
}
}
最終返回的掃描結果包括按鍵所在的行值和列值。判斷步驟是：先將端口A(yíng)的高4比特記錄在掃描變量recode中，低4比特置為1111。再次讀入端口A(yíng)的高4比特，由此判斷按鍵是否松開(kāi)。用戶(hù)還未松開(kāi)按鍵時(shí)，高4比特當中有低電平0存在，此時(shí)只能循環(huán)等待。只有當用戶(hù)松開(kāi)按鍵之后，才將高4比特與低4比特進(jìn)行按位反操作，并復合形成最終返回的掃描結果。如果沒(méi)有檢測到有按鍵按下，則將掃描變量sccode向左移位1比特，繼續進(jìn)行下一次掃描。

3.2液晶顯示模塊
用戶(hù)在多次進(jìn)行輸入頻率以及“+1Hz”和“-1Hz”微調后，專(zhuān)注于觀(guān)察信號輸出對下一級電路的影響，往往忘了目前系統的輸出頻率。這樣導致在精確測試中要求微調時(shí)也不知該向高調整還是向低調整。為了告知用戶(hù)系統所處的當前頻率，我們擴展了液晶顯示模塊，實(shí)現了當前頻率在液晶顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示。液晶顯示模塊占用了單片機Atmega16L的PD0-PD7作為數據接口，采用了單片機的PB0-PB4作為控制端口。圖3給出了液晶顯示模塊與控制器電路設計電路圖。

PB0引腳選擇液晶顯示模塊的數據存儲器或指令存貯器，PB1引腳表明此次操作是讀液晶顯示模塊還是寫(xiě)液晶顯示模塊，PB2則構成上升沿與下降沿完成讀寫(xiě)時(shí)序。PB3負責選中液晶顯示模塊的左半部分，PB4負責選中右半部分，通常PB3與PB4都置為1。需要注意的是，在數據或指令準備好了之后，再讓PB2進(jìn)行電平變化，否則讀寫(xiě)會(huì )出錯。

本設計借助單片機Atmega16L的大容量程序存貯器，將英文字母和若干漢字的字型點(diǎn)陣作為數組存入單片機的程序存貯器中。需要顯示某字符時(shí)直接調用數組，從而簡(jiǎn)化了設計，實(shí)現了英文、漢字以及圖形的顯示。本設計顯示界面友好，操作可控性強。

圖3液晶顯示模塊與控制器電路設計

4結論
為了方便現代化工業(yè)生產(chǎn)與精確的頻率測試，我們設計了基于A(yíng)VR單片機的高精度頻率調節器。在本設計中，可以使用小鍵盤(pán)上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，方便地進(jìn)行頻率精確到1Hz的調節。此頻率調節器體積小而功能強，由Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作控制核心，用戶(hù)可隨時(shí)調整系統輸出頻率。采用了4×4鍵盤(pán)輸入用戶(hù)設定的頻率值，占位小而效率高，編制程序讓AVR單片機掃描即可得到頻率，省去了專(zhuān)用鍵盤(pán)接口芯片8279。液晶顯示模塊可實(shí)時(shí)顯示當前頻率，顯示界面友好，操作可控性強。本系統可以產(chǎn)生方波和正弦波。

本設計的硬件與軟件均已經(jīng)應用在某頻率測試生產(chǎn)線(xiàn)中。工業(yè)生產(chǎn)與測試使用表明，本設計簡(jiǎn)化了頻率調節過(guò)程，用戶(hù)使用方便，具有節電、低成本、抗干擾能力強、頻率控制精度高速度快的特點(diǎn)。

參考文獻
[1]AtmelCorporation.8-bitAVRMicrocontrollerwith16KBytesIn-SystemProgrammableFlashAtmega16Ldatasheet.AtmelCorporation,2003:3-18.