基于C8051F020芯片的多功能計數器設計

　　引言

　　計數器作為一種測量工具．在實(shí)驗分析、工業(yè)丁程制造、測試系統中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展．計數器的軟硬件有了飛速發(fā)展，其應用領(lǐng)域不斷擴展．功能也得到了加強。尤其是各種新型計數器的應用。極大地提高了測量的精度、測量的范圍與測量的內容。

　　多功能計數器的設計與制作．涉及到單片機技術(shù)、人機界面技術(shù)、信息存儲技術(shù)、語(yǔ)音報數等多方面理論知識和實(shí)際制作技術(shù)。本文詳細分析了多功能計數器的設計方案和電氣原理．描述了多功能計數器中各個(gè)模塊的基本工作原理和相互關(guān)系．最后歸納分析了所設計出的多功能計數器的主要功能和性能指標、特點(diǎn)以及使用方法。

　　1 方案比較與確定

　　1．1測量原理比較

　　經(jīng)分析，有以下2種測量原理方案可供選擇：

　　方案一：采用等精度測量法。等精度測頻法使該系統具有以下特點(diǎn)：①相對測量誤差與被測頻率的高低無(wú)關(guān)；②增大Ypr或fs可以增大N5，減少測量誤差，提高測量精度；③測量精度與預置門(mén)寬度和標準頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無(wú)關(guān)，預置門(mén)和常規測頻閘門(mén)時(shí)間相同而被測信號頻率不同的情況下。等精度測量法的測鼉精度不變。實(shí)現原理圖如下圖1-1所示：

　　方案二：邊沿觸發(fā)捕捉通過(guò)PCA的邊沿捕捉模式對信號上升沿進(jìn)行計數從而達到間接對周期、頻率和時(shí)間間隔的測量功能。

　　對頻率(周期)的測量：?jiǎn)纹瑱C的晶振為22．1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標準頻率(周期)，同時(shí)由信號發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)預處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對其上升沿進(jìn)行捕捉并計數，從而通過(guò)間接測量出在標準頻率對應的時(shí)間內或標準周期內信號的數目。達到計數的目的。其原理圖如圖l一2所示。

圖1-1等精度測頻

圖1-2 PCA邊沿捕捉原理圖

　　對時(shí)間間隔的測量：由于函數信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號都是周期信號，而且此法對周期信號的測量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號的相鄰兩個(gè)上升沿。并記錄時(shí)間就得到了時(shí)間間隔。

　　采用這種方法得到的測量結果的誤差小，精度極高，可以達到題目發(fā)揮部分要求的精度；同時(shí)此法的電路結構簡(jiǎn)單，外圍模塊相對較少，實(shí)現功能較多，能夠測量的頻率范圍、周期范圍較大。

　　綜合上述因素，本顯示器采用第二種方案，即由PCA邊沿捕捉測試。

　　1．2 預處理設備選擇

　　方案一 用施密特觸發(fā)器將原始信號轉換成脈沖信號?？梢苑乐贡容^器兇干擾而產(chǎn)生的抖動(dòng)．且可以提供一定的正反饋使其傳輸特性具有回差特性。但當輸入信號幅值低于其觸發(fā)電平時(shí)．不能產(chǎn)生我們需要的脈沖信號。

　　方案二 用6N317高速光電耦合器將原始信號轉換成脈沖信號。具有溫度、電流和電壓補償功能。在響應速度、輸出電平與數字電路的兼容性、工作點(diǎn)穩定及價(jià)格方面具有明顯優(yōu)勢。同時(shí)它可以產(chǎn)生頻率范圍較大的脈沖信號．很好的滿(mǎn)足題目基礎部分和發(fā)揮部分的功能實(shí)現。如圖1-3所示。

　　基于以上分析，擬采用方案二。

圖1-3預處理系統原理圖

　　2 系統總體方案設計

　　2．1系統總體方案

　　根據設計任務(wù)和要求，本計數器在硬件上由電源模塊、預處理模塊、分頻器、C8051芯片、LCD、鍵盤(pán)、溫度測量模塊、語(yǔ)音模塊等部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1系統設計流程圖

　　預處理模塊對信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號進(jìn)行整形，產(chǎn)生可供單片機判斷處理的信號。單片機對預處理傳輸的信號進(jìn)行判斷、計數以測量出題目要求的各物理量。然后控制顯示器顯示當前測量結果．并對用戶(hù)從鍵盤(pán)輸入的信息進(jìn)行處理、執行功能子程序以及根據計數的結果進(jìn)行判斷啟動(dòng)相應的語(yǔ)音報數程序。

　　2．2 核心技術(shù)

　　PCA捕捉原理：EXn引腳上出現的有效電平變化導致PCA0捕捉PCAO計數器/定時(shí)器的值并將其裝入到對應模塊的16位捕捉/比較寄存器(PCAOCPLn和PCAOCPHn)。PCAOCPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于選擇觸發(fā)捕捉的電平變化類(lèi)型：低電平到高電平(正沿)、高電平到低電平(負沿)或任何一種變化(正沿或負沿)。當捕捉發(fā)生時(shí)，PCAOCN中的捕捉/比較標志(CCFn)被置為邏輯1并產(chǎn)生一個(gè)中斷請求(如果CCF中斷被允許)。當CPU轉向中斷服務(wù)程序時(shí)．CCFn位不能被硬件自動(dòng)清除。必須用軟件清0。因此通過(guò)PCA的邊沿捕捉模式對信號上升沿進(jìn)行計數從而達到間接對周期、頻率和時(shí)間間隔的測量功能。

　　對頻率(周期)的測量：?jiǎn)纹瑱C的品振為22.1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標準頻率(周期)，同時(shí)由信號發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)預處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對其上升沿進(jìn)行捕捉并計數．從而通過(guò)間接測量出在標準頻率對應的時(shí)間t內對應的信號的數目．由公式計算出頻率與周期。

　　xt表示計數器溢出的次數。PCAOCPMn代表PCAOCPMn內的數值，PCAOCN代表PCAOCN內的數值。

　　對時(shí)間間隔的測量：由于函數信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號都是周期信號，而且此法對周期信號的測量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號的相鄰兩個(gè)上升沿。并分別記錄時(shí)間t1、t2就得到了時(shí)間間隔，則tx=t2一t1。

　　2．3存儲模塊

　　由于需要可以查閱最近十次的測量結果。因此，在系統中增加AT24C256為核心的E2PROM模塊。

　　2．4峰值檢測模塊

　　峰值檢測器的信號檢測范圍由基準電壓確定．比較器將衰減后的輸入信號與前存儲的峰值電壓進(jìn)行比較．如果輸入信號高于以前存儲的峰值電壓，則比較器輸出高電平，允許計數器以輸入始終確定的速率累加計數．隨著(zhù)計數器數值的增加，模數轉化器輸出增大．當輸入信號低于計數器內鎖存的峰值電壓時(shí)，比較器輸出為低電平?jīng)_止計數。來(lái)自微處理器的CLR信號用于峰值檢測器的控制，當CLR為低電平時(shí)計數器被復位，CLR為高電平時(shí)峰值檢測器處于正常工作狀態(tài)。電路圖如圖糾所示。

　　2．5測溫模塊

　　系統選用數字式溫度傳感器DSl8820，它具有體積小、精度高、使用電壓寬、經(jīng)濟、靈活、采用一線(xiàn)總線(xiàn)、可組網(wǎng)的特點(diǎn)。電路如圖2—2所示。

圖2-2峰值檢波電路原理圖

　　3 系統測試

　　測試的部分數據如表3-1所示：

表3-1指標測試數據表

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統以C8051F020為控制核心，實(shí)現了一款簡(jiǎn)易多功能計數器。通過(guò)測試。系統完全達到了設計要求，而且完成的指標比較高。在以單片為核心的基礎上，設計出一款低成本、多功能的簡(jiǎn)易計數器，因其體積小，攜帶方便且擴展了許多常用的人性化功能給單片機等微機算計系統的開(kāi)發(fā)作出了一點(diǎn)實(shí)踐性探索。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：以單片機為核心設計出一款低成本、能實(shí)現周期測量、頻率測量和時(shí)間間隔測量及其他擴展功能的簡(jiǎn)易計數器，有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。