工业2简易数字频率计

：计数单元，比较单元，脉宽调制电路，实现高精度的频率测量，并且实现了脉宽和占：；TheSimpleFrequencyCounterbasedonFangMin,HouQili,LiMiao,Zhang:Thehigh-precisionandwide-rangefrequencycounterisanimportantmeasuringinstrumentbecausethefrequencymeasurementisneededinmanyfields.Themeasurementprincipleofmulti-periodsignalisadoptedinourdesign.Itusesastandardfrequencysignaltofillthemeasuredsignalofintegralnumberperiodinordertoeliminate1countingerror.Itsmeasurementaccuracyonlyreliesonthegatecontroltimeandthestandardfrequency.Thismethodesthelimitationoftraditionalmeasuringperiodormeasuringfrequencydirectly,andcansatisfytherequirementofhighaccuracy.ADSPchip(TMS320F2812)isselectedasthecore-processingunitbecauseitpossessesthehigh-precisionclockandcanperformthefastcalculation.Itsevent-managerssuchascaptureunit,timer/counterunit,comparatorunitandpulse-widthmodulationcircuit()areutilizedeffectivelytorealizethehigh-precisionfrequencymeasurement,thepulse-widthmeasurementandtheoccupancyratio:high-precisionfrequencymeasurement;pulse-widthandoccupancyratiomeasurement;multi-periodmeasurementprinciple;DSP德州仪器（TI）公司研制生产的新一代DSP——TMS320F28X，它既具有一般期测量原理，充分利用DSP上丰富的外设资源，并设计信号调理电路及串行通讯电路，从DSP的高速信号处理的能力完成频率（周期）、脉宽、占空比的高精度测量，以及测量结果的PC显示。~~1～22-1及DSP丰富的片内外设，我们设计了一种测量精度和被测频率无关的软硬件相结合的3-1TTTT图3- 定时器1（T1），图中的标准频率信号为150MHz时钟频率的8分频。测量阶段需硬——D 1，当其接收到一个整周期的被测信号时即可产生比较输（T1，低电平有效），如图3-1所示。同时产生比较中断，在中断服务子程序中，进行如下操作：捕获1的栈值（t2_1）,清定时器1、2上溢次数，使能捕获3，使能定时器3；实际测量阶段，当定时器3定时（预置时间）结束，借助于D触发器在被测信号升沿）。捕获1的栈值（t2_2）和捕获3的栈值(t1_2)。图3- 为150MHz时钟频率的2分频。中进行如下操作：此时捕获4的栈值，复位定时器4的上溢中断标志位，将捕获5设当捕获5中断标志位置位时，其栈值和定时器4的上溢次数。这种状况，设计了等效时间采样算法，即通过对重复信号的多次采样把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组,从而能够重建原始的信号波形。与实时采样不同,等效采样只能用于重复信号,但信号频率可以很高。设测得频率为Fx，被测频率真实值为Fxe，标准频率为Fs，在一次测量中，预置闸门时间为T'，被测信号计数值为Nx，标准频率信号计数值为Ns。Fx计数的起停时间由该信号的上升沿触发的，在T'时间内对Fx的计数Nx无误差；在此时间内Fs的计数Ns假设相差n个脉冲，即et Fx/NxFs/Fxe/NxFs/(Ns

Fx(Fs/Ns)*

FxeFxeFxe

Fxe Qet

n

NsTpr* 若预置时间Tpr=0.0128s，Ns0.0128*150'000'000/8 n*4.16*T113预置时间来加以克服，同时考虑到DSP内部高速的时钟频率，这并不会明显的增加测已将DSP内部的高速时钟频率进行了适当的分频，所以相对于量化误差，校准后的标准频设被测信号脉宽为Twx，标准频率信号频率为Fs，则脉宽的测量精度TwxNx/Twx/Twx(1*Fs)/(Nx*Fs)1/NxTwx*FsFs一定时，脉宽越小，误差越大。当Twx100sFs150275MHz时，Nx7500，则有Twx/Twx1/75001.33*1040.0133后能够达到的稳定程度，拟定将DSP内部的高速时钟频率进行两分频。同频率测量一样，系统主要是由电源管理模块，输入调理模块，信号处理模块，通讯模块和D触发器3-3

图3- 又要考虑到幅值较大信号的放大增益限制(DSP的输入电压过3.3V)。在进行设计的时入信号被统一调理为幅值为0.28伏左右的交流信号。信号将是幅值为1.1V左右的交流信号。触发器的选择，选择将信号利用加法电路进行0.9V偏置。模块，所以被测信号经过相应的调理之后，就可以由DSP进行采样，从而得出信号的幅值。MAX3221完成。源。另外，该模块还保证了F2812FLASH的有效复位。PAPAAP9OAP6O图4- 制，该运放采用5V电源供电，因此，该输出信号的幅值被限制在5V4-12.5mA。此时，输出信号的幅值被限制在0.22V~0.28V我们设计采用高速运放OPA2960实现将该部分的输入信号放大四倍，实现电路如图4-1所示，其中R4=10K，R5=8.2K，R6=40.2K。输入（放大电路的输出）进行0.9V偏置。这样，得到的信号幅值变化范围为：（0.22*4.020.9 0.22*4.020.91.78V）（0.28*4.020.90.22V 0.28*4.020.92.02V），实际的输出介于这两个范围之间，而它们对于触发器SN74都是是合适的。该部分的具体实现方法为：偏置电路的输出端信号幅值为VO，而放大电路之后、偏置电路之前的信号幅值为Vmid。由运放的性质，我们可以得到Vmid4.02VI（POWER20.45V），VO0.9Vmid，这样也就实现了放大和偏置VO0.94.02VI4-1整形电路：该模块即为触发器，选定器件为SN74，当供电电源为3.3V时，它的下限为0.84V，上限为1.5V。通过这一模块，被测信号就被调理为DSP的输入信号，（0*4.020.9 0.22*4.020.91.78V）至（0*4.020.90.28*4.020.92.02V）的单极性信号，实际的输出介于这两个范围之间，而它们对于触发器SN74都是合适的。PPAAP9O图4- ADC0.5V~3V之间的交流信号，经过此模块以后，调理为0.25V~1.5V之间的交流信号。图4-2中，R11=R12=10K。1.5V，POWER1.5V4-2C1=47F，R7=R9=10K，R8=5.1K保护电路：通过使用特基二极管进行钳位而得以实现，如图4-2所示，此时选取钳位电压为3.3V。本设计中采用的DSP型号为TMS320F2812，它是到目前为止C2000系列中性能最EVAEVAD4-3GPIOADC。在测量的过程中，由于设计的要求，需要在预置时间到来后的被测信号的第一个上升沿，使得T1产生跳变信号。通过实验，我们发现如果将T1 对应的独立切断引脚(T1CTRIP)置位为0，其输出将为高电平。所以，本设计方案中添加了一硬件——D触发器，预置时间结束时置位的现如图4-4所示：

DDT1CTRIQ图4- D触发器的使Q令执行时间为6.67ns。这从而为高速和处理信号提供了保障。因而，系统中F2812由30MHz150MHz。转换模块，其波特率最高可达250Kbit/s。电源管理模块模块提供模拟电源±5V、0.45V、1.5V，数字电源3.3V和1.8V。为此，系统外部选择±12V由于模拟部分负载电流小，因而±12VL7805、L7905OPA2960提供±5V模拟参考电源。由于系统数字部分负载电流较大且供电电TPS767D3015V3.3V1.9VDSP及其最小系统部分，另外还有在信号调理部分中的触发器和D触发器)供电。部倍频至150MHZ，因而F2812的核电压要求为1.9V左右（1.81V～2.0V），所以此处TPS767D301的第二个输出通过电阻将其配置为输出1.9V左右。信号调理部分的偏置电压，则是由图4-5图4- 其中，+5VL7805供给。R16,R17,R19为固定电阻，R18为高精度可调电阻，其共同构成了分压电路。图4-5中TL431为稳压器件，将其两端的电阻限制在2.5V。通过调节可4-5R16=2K,R17=68K,R19=15K,R18满量程为200，精度为0.1%。设计时，提供了如上所示的偏置电压供给。框图如图5-1所示。5-1系统功能框图 为减小测量过程中产生的随机误差，所测结果均取平均值。利用CPU_Timer0后，重新初始化定时器和捕获单元，进入下一轮测量。主程序流程如图5-2所示。CPU_TimerYNNY

图5-2主程序流程中断向量表的初始化。EV简单，并且所有程序都是按照一定的顺序执行，将要测量频率时，定时器1、2T3CINTPDPINTA位的过程中，定时器1、2皆有可能发生上溢。高频时定时器1最多溢出3次（此时被测信16MHz），22861（0.1Hz）。为便于程序设计，使能定时器1、2的上溢中断来记录上溢次数；测量过程中，捕获单元捕获的是定时器1的比较输出信号，对捕获栈值的实时性要求不高，因而定时器1、2上溢中值的实时性要求高，因此，在等待CAP5INT置位的过程中，程序是通过查询定时器4的上溢测量幅值时，复用定时器3，利用其周期中断来启动AD转换。AD每次转换一个数，即12，其用来记录标准脉冲的个数。等待T1CINT置位。2、T1CINT置位后，捕获1的栈值（即定时器2的初值t2_1）；清零定时器1、3、T3CINT置位后，程序写0到GPIOA0口。硬件的电路设计中，已将GPIOA0口连接至边沿触发器的D输入端，而将被测信号连接至边沿触发器的CLK输入端。于是，在被测信号的下一个上升沿到来时，边沿触发器输出与D输入端相同的电平信号（低电平），此信号由硬件连接至T1CTRIP1的比较输出，同时，PDPINTA1（2t2_2）31t1_2)。由所得数据计算频率（周期），定时器1、2和捕获1、3。频率计算公式为： 定时器3使用150MHz内部时钟，64分频，其比较值设置为30000，故预置时间0.0128s。当被测信号频率小于5.12MHz时，定时器1将不会发生上溢，所以实际测量的时间即是定时器1比较输出的有效电平时间。当被测信号频率大于5.12MHz时，定时器1发生上溢，因而会发生多次比较匹配。但程序设计时，仅对第一次比较匹配进行相应操作；发生多次比较匹配后，捕获1和3也将会多次捕获到定时器1比较输出跳变，但程序中只PDPINTA中断标志位置位后的捕获值作为5-3可将中断标志位置位），启动定时器4和捕获4（CAP4），等待CAP4INT置位5CAP5FIFO1CAP5INT1、完成一次频率测量以后，程序将GPIOA0口置位为1，边沿触发器则会在被测信号的 NYYNYNNY41T4CAP4SCI与其它异步外设之间使用标准非归零码（NRZ）进行数字通信。SCI的和发送器各自具有一个16级深度的FIFO，以减少CPU开销，而且它们还有各自独立的使能位和中断位。6500据接收和发送的字符为：1个起始位，8个数据位，无奇偶校验位，1个停止位。TMS320F2812与PCMODBUS协议，此协议支持传统的RS-232、.节节奇偶校验位(可不使用)、1bit停止位(有校验时)或2停止位(无校验时)。位机响应上位机的数据请求信号，回送相应的数据给上位机显示。系统中需要应用MODBUSMODBUS协议命令格式约定如下：03H功能码格式：从机地址03首地址寄存器个数CRC校验从机地址03首地址寄存器个数CRCRS23220kps，传15米。由于该标准没有定义连接器的物理特性，因此出现了DB—25，DB—5-1DB9123456789数据相连，如图5-5所示：5-5DS-9设计中采用VisualC++6.0编制上位机通信程序。应用VisualC++开发串行通信目前通常有如下几种方法：一是利用WindowsAPI通信函数；二是利用VisualC++的标准通信函数_inp,_inpw,_outp，_outpw,_outpd等直接对串口进行操作；三是使用 m控件；本设计中采用第四种方法。CSerialPort类是由MuMegaTechnologies公司提供的一个VisualC++类，利用它可以很轻松地完成一般串口编程任务，几分钟就可搭好串口NNY5-6下位机程序中，当检测到接收FIFO中断标志置位时（RXFFINT=1），则接收缓冲寄中buffer[3]=0，发送频率；buffer[3]=4，发送周期；buffer[3]=8，发送占空比；?Y?YNYNY5-7序中适时加入喂狗程序，在其计数器达到最大值之前清零计数器，进而保证程序的正常执难点，系统设计中通过使用2812产生与实际时间同步的 测量原理在2812上的实现。利用了281x系列事件管理器较240x·硬件设计中使用了定时器1T1CTRIP)。在测量即将结束时，该引脚被置为低电平，从而产生所需的波跳变(上升沿)，配合软件，完成测量。在一定的时间段(0.6s)内记录测量的数据，然后，对这些测量值求均值。采取这种方法采用MODBUS上位机的串行通讯采用MODBUS协议，这样不仅可以实现上位机与DSP一对指标测 用函数信号发生器(型号：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函数信号发生器(型号：TektronixAFG3010；精度：0.00010.02Hz—15MHz用函数信号发生器(型号： 0.6s--50s的 用函数信号发生器(型号：TektronixAFG3010；精度：0.00010.05Hz—300kHz7.1标准输入频率本仪器测量值%正弦波正弦 7.2值µs%量值µs%157.3标准输入占空比1%误差%误差5%误差%误差50%误差50%误差%误差5K%误差%误差%误差%误差%误差正弦波的频率(周期)测量误差小于等于0.015%(要求是0.1%)；(信号)脉宽的测量误0.0074（0.0022（的测量误差小于等于1.78%。：void{EvaRegs.GPTCONA.all=EvbRegs.GPTCONB.all=0;EvaRegs.GPTCONA.bit.T1PIN=EvaRegs.T1CON.all=0x101a;EvaRegs.T2CON.all=0x1288;EvaRegs.T2PR=0xffff;EvbRegs.T3PR=EvbRegs.T4CON.all=0x1000/T4使用内部时钟EvaRegs.CAPCONA.all=0x04E4;CAP3T1CAP1T2}{EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;//使能T1、T2EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=0;//T1、T2 GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIOA011GPIOA0EvbRegs.T4CON.bit.TENABLE=1;//使能T4位EvbRegs