基于TMS320F2812的數(shù)字頻率計的設(shè)計
單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 合肥工業(yè)大學 張巧云 陶維青
摘要： 為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求,，新型的頻率計中都使用了單片機進行數(shù)據(jù)處理，這樣,，由軟件代替了復雜的硬件電路,，使儀器的結(jié)構(gòu)簡化,，功能增強。本文給出一種基于TMS320F2812(簡稱F2812)DSP的一種簡易測頻方法,。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能,，在被測信號的有效電平跳變沿捕獲計數(shù)，電路實現(xiàn)多靠軟件設(shè)置,，運算簡單,，實時性好，測量精度高,。
Abstract：
Key words :
頻率是指某周期現(xiàn)象在單位時間內(nèi)所重復的次數(shù),，它與時間在數(shù)學上互為倒數(shù)。時間頻率的精確測量促進了科學的發(fā)展,，而科學的發(fā)展又反過來把時間頻率的測量提高到新的高度,。特別在最近的幾十年里，頻率和時間的測量精度已達到非常高的水平,，即已遠遠超過其他所有物理量的測量精度,。它主要的應(yīng)用領(lǐng)域有導航和通信兩大類，以及空間技術(shù),、工業(yè)生產(chǎn),、交通、科學研究及天文學與計量學方面。
為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求,，新型的頻率計中都使用了單片機進行數(shù)據(jù)處理,，這樣，由軟件代替了復雜的硬件電路,，使儀器的結(jié)構(gòu)簡化,，功能增強。本文給出一種基于TMS320F2812(簡稱F2812)DSP的一種簡易測頻方法,。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能,，在被測信號的有效電平跳變沿捕獲計數(shù)，電路實現(xiàn)多靠軟件設(shè)置,，運算簡單,，實時性好，測量精度高,。
1 測量方法
常用的測頻方法主要有直接測頻法,、直接測周法以及多周期測量法。直接測頻法雖在高頻段的精度較高,，但在低頻段的精度較低,，直接測周法則恰恰相反。多周期測量法是將被測信號和標準信號分別輸入到兩個計數(shù)器,，其實際閘門時間不是固定值,，而是被測信號周期的整數(shù)倍，因此消除了對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1 Hz的計數(shù)誤差,，其精度僅與閘門時間和標準頻率有關(guān),。因此本設(shè)計采用多周期測量法作為具體的實施方案。
2 系統(tǒng)的設(shè)計
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。被測信號首先經(jīng)過限幅放大,、直流偏置、整形電路,，變換為0～3．3 V的方波信號,，然后再進入DSP，利用其定時器和捕獲單元實現(xiàn)頻率的測量,。測量完成后,，一方面可由鍵盤設(shè)置相關(guān)參數(shù)通過LCD顯示測量結(jié)果，另一方面可通過RS一232傳送給PC機顯示測量結(jié)果,。另外,，為了提高系統(tǒng)的可靠性，增加了一個自我校準電路,，即在測量之前,，可通過軟件設(shè)置產(chǎn)生1 MHz的標準脈沖信號,，送到信號調(diào)理模塊的輸入端，檢測測量結(jié)果是否正確,，從而達到自我校準的目的,。
本設(shè)計選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812 DSP作為核心處理單元。F2812是TI公司近幾年推出的高速,、高精度的工業(yè)控制DSP芯片,。它運算速度快，工作時鐘頻率達150 MHz,，指令周期可以達到6．67 ns以內(nèi),，低功耗(核心電壓1．8 V，I／O口電壓3．3 V),。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu),，具有強大的操作能力；外圍設(shè)備包括3個32位的CPU定時器,，16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器,，串行外圍接口(SPI)，2個串行通信接口(SCI)等,。其片內(nèi)外設(shè)時間管理器含有2個模塊(EVA和EVB),，每個模塊都包括2個通用定時器，3個全比較／PWM單元,，3個捕獲單元和 1個正交編碼脈沖電路,。本設(shè)計主要利用EVA中的2個通用定時器(T1和T2),，2個捕獲單元(CAPl和CAP3),，EVB中的1個通用定時器 (T3)。具體測量原理如圖2所示,。
首先設(shè)定T3比較值(預(yù)置閘門時間為0．012 8 s),，設(shè)定T1的比較值為1，使能CAPl,。然后使能T1,，當其接收到一個整周期的被測信號時即可產(chǎn)生比較輸出，同時產(chǎn)生比較中斷,，讀取CAPl的棧值 (即T2的初值t2_1),，清T1、T2上溢次數(shù),，使能CAP3和T3,。最后當T3定時結(jié)束，借助于D觸發(fā)器在被測信號的下一個上升沿到來時,，切斷T1的比較輸出,，同時PDPINTA將被置位,，然后記錄T1和T2的上溢次數(shù)tlofcount、t2ofcount,，讀取CAPl的棧值(即T2的末值 t2_2)和CAP3的棧值(即T1的末值tl_2),。由所得數(shù)據(jù)計算頻率，禁止T1,、T2,、CAPl和CAP3。頻率計算公式為：
注意：CAPl的捕獲時基為T2,，CAP3的捕獲時基為T1,，標準頻率信號為150 MHz時鐘頻率的8分頻。
2．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
主監(jiān)控程序是整個軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序,，它控制著程序的有序運行,。系統(tǒng)在上電或復位后，主程序先調(diào)用各模塊的初始化子程序,，主要包括GPIO初始化,、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化,。系統(tǒng)初始化完成之后,，主程序啟動CPU_Timer0，使能 T1,、T2的上溢中斷,，啟動CAPl，設(shè)置T1的比較值為1,，等待T1CINT置位,，開始測量頻率。為減小測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差,，所測結(jié)果均取平均值,。利用CPU_Timer0產(chǎn)生一定的時間段(O．6s)。該時段結(jié)束后(CPU_TimerO中斷標志位置位),，即對該段時間段內(nèi)記錄的測量結(jié)果求均值,。此時，如果查詢到上位機發(fā)出接收請求,，則傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)至PC顯示,。然，后,，重新初始化定時器和捕獲單元,，進入下一輪測量。主監(jiān)控程序流程如圖3所示,。
測頻的部分源代碼如下：
3 誤差分析及測試結(jié)果
3．1 量化誤差
設(shè)被測信號的頻率為Fx,，其真實值為Fxe,，標準頻率為Fs，在一次測量中,，預(yù)置閘門時間為T′,，Tpr為實際閘門時間，被測信號計數(shù)值為Nx,，標準頻率信號計數(shù)值為Ns,。
Fx計數(shù)的起停時間是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在T′時間內(nèi)對Fx的計數(shù)Nx無誤差,，對Fs的計數(shù)Ns假設(shè)相差N個脈沖,，即|△et|≤n。
由于Fx／Nx=Fs／Ns,，F(xiàn)xe／Nx=Fs／(Ns+△et),，根據(jù)相對誤差公式有：
因此可以得到以下結(jié)論：
①相對測量誤差與被測信號的頻率無關(guān),。
?、谠龃骉′或者提高Fs，可以增大Ns,，減少測量誤差,，提高測量精度。本設(shè)計方案中,，預(yù)置閘門時間限定了最低的測量精度,。
③誤差分析中的n,，主要由硬件切斷T1PWM所需要的時間決定,，為一個小整型常數(shù)。若預(yù)置閘門時間Tpr=O．012 8 s,，則
即使n取不為l的小整型常數(shù),，仍可以使得精度維持在十萬分之一以內(nèi),，并且可以隨著預(yù)置閘門時間的適當延長,，得到進一步的提高。
3．2 測量的原理誤差和標準頻率誤差
本測量原理類似多周期同步測量原理,，主要的原理誤差來自測量即將結(jié)束時,，由D觸發(fā)器產(chǎn)生低電平跳變來切斷T1PWM，從而使其產(chǎn)生由CAPl和CAP3同時捕獲上升沿的跳變,。這段時間主要是由D觸發(fā)器的反應(yīng)時間決定,。在測量過程中，針對這部分誤差,，可以通過適當增加預(yù)置閘門的時間來克服,，同時考慮到DSP 內(nèi)部高速的時鐘頻率,，這并不會明顯地增加測量耗時，但卻達到了弱化此誤差的影響,、增加測量精度的目的,。
標準頻率誤差為△Fs／Fs。因為晶體的穩(wěn)定度很高,，標準頻率誤差可以進行校準,，并且已將DSP內(nèi)部的高速時鐘頻率進行了適當?shù)姆诸l，所以相對于量化誤差,，校準后的標準頻率誤差可以忽略不計,。
3．3 測試結(jié)果
用函數(shù)信號發(fā)生器(型號為Tektronix AFG3010；精度為O．000 1％)產(chǎn)生方波信號,，用設(shè)計的頻率計測出頻率,，求出誤差。本測頻系統(tǒng)的測量精度可達到O．01％,。根據(jù)誤差分析可知,，系統(tǒng)的最大誤差發(fā)生在預(yù)置閘門時間正好填充了整數(shù)個被測信號時，即頻率為78．125 Hz或者其整數(shù)倍時,，所以選擇這些點進行測試,。實際的測試數(shù)據(jù)如表1所列。
4 結(jié)論
本文著重分析了數(shù)字頻率計的設(shè)計方案,、硬件組成,，以及采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)上位機與下位機通信的軟件設(shè)計。特點有：
?、僭陬l率測量原理方面,，由于采用了多周期測量原理，消除了對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1個計數(shù)誤差,，其精度僅與閘門時間和標準頻率有關(guān),，克服了傳統(tǒng)的測頻法或測周法的不足，實現(xiàn)了寬量程,、高精度的頻率測量,。同時由于預(yù)置閘門時間的存在，保證了當被測頻率在各頻段之間來回切換時,，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,，跟隨性能好。
?、谠谙到y(tǒng)的總體設(shè)計方面,，充分利用了F2812 DSP的內(nèi)部資源，即使用事件管理器中的定時器,、捕獲單元完成頻率的測量,；使用PWM的輸出實現(xiàn)自檢電路的設(shè)計,；使用串口通信模塊完成上位機和下位機的通信。在測量結(jié)果的顯示方面利用RS232,，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議,，實現(xiàn)下位機和上位機的通信，將測量結(jié)果在上位機中顯示出來,。
本文只探討了如何對單路信號進行頻率測量,，而對于多路信號，可先使其經(jīng)過一個與門,，通過軟件判斷哪一路信號,，然后再運用本設(shè)計方法進行測量。針對這種情況所產(chǎn)生的誤差問題還需作進一步的探討,，本文只給出初步的探索,。
參考文獻
1. 周文水 相位寬帶測頻原理的研究與實現(xiàn) [學位論文]
2. 徐科軍.李國麗 電氣測試基礎(chǔ) 2002
3. 張志文.田英峰 基于 DSP的高精度頻率測量系統(tǒng)的研究 [期刊論文] -西安工業(yè)大學學報2007(2)
4. Texas Instruments Incorporated TMS320F28x DSP Family User's Guide
5. 梁文海 用單片機實現(xiàn)雙計數(shù)器多周期同步法頻率測量 [期刊論文] -現(xiàn)代電子技術(shù)2007(7)
6. 鄭杰.陶維青 基于 TMS320F2812事件管理器的一種測頻方法 [期刊論文] -微計算機信息2006(5)
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