基于FPGA的等精度频率计

光电与通信工程学院课程设计报告书课设名称：等精度频率计年级专业及班级：姓名：学号：一、课程设计目的1、进一步熟悉QuartusⅡ的软件使用方法，熟悉keil软件使用；2、熟悉单片机与可编程逻辑器件的开发流程及硬件测试方法；3、掌握等精度频率计设计的基本原理。4、掌握独立系统设计及调试方法，提高系统设计能力。实验设备EDA最小系统板一块（康芯）、PC机一台、示波器一台、信号发生器一台、万用表一个。二、设计任务利用单片机与FPGA设计一款等精度频率计，待测脉冲的检测及计数部分由FPGA实现，FPGA的计数结果送由单片机进行计算，并将最终频率结果显示在数码管上。要求该频率计具有较高的测量精度，且在整个频率区域能保持恒定的测试精度，具体指标如下：a）具有频率测试功能：测频范围100Hz~5MHz。测频精度：相对误差恒为基准频率的万分之一。b）具有脉宽测试功能：测试范围10μs~1s，测试精度：0.1μs。c）具有占空比测试功能：测试精度1%~99%。d）具有相位测试功能。（注：任务a为基本要求，任务b、c、d为提高要求）三、基本原理基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。3.1等精度测频原理等精度频率计主控结构如图1所示四、实验现象占空比五、心得体会这周课程设计的题目是等精度频率计的设计，由于书本上有一段程序，所以一开始只是将书上的程序和显示波形研究了一下。当到课程设计的时候，将书上程序敲入并实现效果后有点茫然的感觉。于是，我又仔仔细细地分析了一遍设计原理，从新改变了输入的代码，加上自己的思路，并能自己添加预置控制信息CL模块。原本我还想将测试频率显示在数码管上，但是最终没能实现，这应该是我的一个遗憾吧。设计中，我感受到了硬件描述语言的强大，我可以几乎不用考虑硬件条件，将代码导入就可实现功能。不要总想着去依靠书本上的原题或者是他人，自己思考的做出来的，才算是自己真正收获的。本次实验最大的收获莫过于，独立系统的去完成一项任务。在其中我查阅了大量的资料，尤其是数字电路、quartersⅡ软件使用说明、EDA设计等方面的资料。

通过本次学习使我对时序电路有了更深的理解，具体体现在复位、计数、锁存多环节的控制上。同时，在这次实验中，我第一次联合单片机和EDA一起完成一个项目。EDA充分的发挥其高频工作的特点，使得频率测量的上限很高。单片机则在整个系统中充当控制及数据处理的作用设计的优点及缺点

本频率计最大优点在于它的高精度。信号频率的测量，不受闸门信号精度的影响。在被测信号送入计数器之前，先通过D触发器，使闸门信号和被测信号同步，有效地避免了±1误差。不仅如此，本频率计对100HZ至5MHZ的全域相对误差均小于百万之一。

当然，本频率计也存在缺点。在频率计的设计中，乘法器为32位，除法器采用64位，资源占用率太大。单片机处理32位数据的方式有待改进，要是它变得更优化六、系统设计步骤及程序，结果FPGA:LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYEQUALFRECOUNTIS PORT( BCLK,TCLK:INSTD_LOGIC; DATA_OUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); EN:INSTD_LOGIC; ADDRESS:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0) );ENDEQUALFRECOUNT;ARCHITECTUREARCHOFEQUALFRECOUNTIS SIGNALEN2,WIDE_TEST:STD_LOGIC; SIGNALWIDE_COUNT,B_COUNT,T_COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0); SIGNALSAVE_WIDE,SAVE_B,SAVE_T:STD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0);BEGIN PROCESS(EN,TCLK) BEGIN IFRISING_EDGE(TCLK)THEN EN2<=EN; ELSENULL; ENDIF; ENDPROCESS; PROCESS(EN2,TCLK,BCLK) BEGIN IFEN2='1'THEN IFRISING_EDGE(TCLK)THEN IFT_COUNT=X"FFFF_FFFF"THEN T_COUNT<=(OTHERS=>'1'); ELSET_COUNT<=T_COUNT+1; SAVE_T<=T_COUNT+1;--SAVET_COUNT ENDIF; ELSENULL; ENDIF; IFFALLING_EDGE(TCLK)THEN IFWIDE_TEST='0'THEN WIDE_COUNT<=B_COUNT; WIDE_TEST<='1'; ELSESAVE_WIDE<=WIDE_COUNT;--SAVEWIDE_COUNT ENDIF; ENDIF; IFRISING_EDGE(BCLK)THEN IFB_COUNT=X"FFFF_FFFF"THEN B_COUNT<=(OTHERS=>'1'); ELSEB_COUNT<=B_COUNT+1; SAVE_B<=B_COUNT+1;--SAVEB_COUNTINSAVE_B ENDIF; ELSENULL; ENDIF; ELSE --WHENENA=0,WEOUTPUTTHEDATAANDRESETTHECOUNTER. WIDE_COUNT<=(OTHERS=>'0'); B_COUNT<=(OTHERS=>'0'); T_COUNT<=(OTHERS=>'0'); WIDE_TEST<='0'; ENDIF; ENDPROCESS; PROCESS(ADDRESS,EN2,SAVE_T,SAVE_B,SAVE_WIDE,BCLK) BEGIN IFRISING_EDGE(BCLK)THEN IFEN2='0'THEN --USESOMECONSTANTSTOTEST CASEADDRESSIS WHENX"0"=>DATA_OUT<=SAVE_T(7DOWNTO0); WHENX"1"=>DATA_OUT<=SAVE_T(15DOWNTO8); WHENX"2"=>DATA_OUT<=SAVE_T(23DOWNTO16); WHENX"3"=>DATA_OUT<=SAVE_T(31DOWNTO24); WHENX"4"=>DATA_OUT<=SAVE_B(7DOWNTO0); WHENX"5"=>DATA_OUT<=SAVE_B(15DOWNTO8); WHENX"6"=>DATA_OUT<=SAVE_B(23DOWNTO16); WHENX"7"=>DATA_OUT<=SAVE_B(31DOWNTO24); WHENX"8"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(7DOWNTO0); WHENX"9"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(15DOWNTO8); WHENX"A"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(23DOWNTO16); WHENX"B"=>DATA_OUT<=SAVE_WIDE(31DOWNTO24); WHENOTHERS=>NULL; ENDCASE; ELSENULL; ENDIF; ELSENULL; ENDIF; ENDPROCESS;ENDARCH; 单片机：/**.c文件，文件名：EqualFre_main.c*各模块的流程控制*/#include"EqualFre_main.h"intmain(void){ communicationInit_Ex(); while(1){ mode=getMode_Ex(); //确定选择的模式 askForData_Ex(); //请求数据 if(HOLD_DATA_MODE!=mode){ //表示没有固定数据时，则载入数据 loadData(); } disData(); //数据显示 }}//数据载入staticvoidloadData(){ fre=getFre_Ex(); wide=getWide_Ex(); duty=getDuty_Ex();}/***************************************数据显示中：wData(uchar)传入的参数意义0-9数字0-910-19 跟了点号的0-920 暗选***************************************/staticvoiddisDelay(){ //显示延时 uchardatax,y; for(x=250;x>0;x--) for(y=50;y>0;y--);}//数据显示--总控staticvoiddisData(){ switch(mode){ caseSHOW_FRE_MODE: disFre(); disDelay();break; caseSHOW_WIDE_MODE: disWide(); disDelay();break; caseSHOW_DUTY_MODE: disDuty();disDelay();break; default:break; } }/*staticvoiddisFre(){ uchardatai; for(i=0;i<8;i++) wData_Ex(1);}staticvoiddisWide(){ uchardatai; for(i=0;i<8;i++) wData_Ex(2);}staticvoiddisDuty(){ uchardatai; for(i=0;i<8;i++) wData_Ex(3);}*///数据显示--显示频率，单位Hz或MHz（双模式）staticvoiddisFre(){ uchardatadataTemp[8],i; ulongdatafreTemp=fre;//为了显示1位小数，这里已经将频率扩大10倍 uchardataflag=0;//消零标志位 if(1000000<=freTemp){//当频率值大于1M时，使用兆显示模式 freTemp/=100000;//0.00MHz for(i=2;i<8;i++){//数据从低位到高位装入数据暂存器dataTemp，这里保留2位，用于显示nH(即MHz) dataTemp[i]=(uchar)(freTemp%10); freTemp/=10; } dataTemp[4]+=10;//取2位小数，这里是加入小数点 dataTemp[1]=21;//n dataTemp[0]=22;//H } else{ for(i=1;i<8;i++){ dataTemp[i]=(uchar)(freTemp%10); freTemp/=10; } dataTemp[2]+=10; dataTemp[0]=22;//H } for(i=0;i<8;i++){//数据从高位到低位显示，并进行高位消零操作 if(0!=dataTemp[7-i]){ flag=1; } if((0==dataTemp[7-i])&&(0==flag)){ dataTemp[7-i]=20; } wData_Ex(dataTemp[7-i]); //显示数据 }}//数据显示--显示脉宽，单位us，意味着最大只能测1MHz的频率staticvoiddisWide(){ uchardatadataTemp[8],i; ulongdatawideTemp=wide; uchardataflag=0; for(i=0;i<8;i++){ dataTemp[i]=(uchar)(wideTemp%10); wideTemp/=10; } for(i=0;i<8;i++){//数据从高位到低位显示，并进行高位消零操作 if(0!=dataTemp[7-i]){ flag=1; } dataTemp[1]|=10; if((0==dataTemp[7-i])&&(0==flag)){ dataTemp[7-i]=20; } wData_Ex(dataTemp[7-i]); }}//数据显示--显示占空比staticvoiddisDuty(){ uchardatadataTemp[4],i; uintdatadutyTemp=duty; for(i=0;i<4;i++){ dataTemp[i]=(uchar)(dutyTemp%10); dutyTemp/=10; } dataTemp[2]+=10; wData_Ex(20);//补4个暗选 wData_Ex(20); wData_Ex(20); wData_Ex(20); for(i=0;i<4;i++){ wData_Ex(dataTemp[3-i]); }} /**.h文件，文件名：EqulaFre_SGMDisplay.h*SGM显示模块，用于显示由主程序传过来的数据*硬件资源： 164时钟端--P3.1 164数据端--P3.0*/#ifndef_EQUALFRE_SGMDISPLAY_H_H_#define_EQUALFRE_SGMDISPLAY_H_H_#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedcharsbitsgm_clk=P3^1; //164时钟端sbitsgm_data=P3^0; //164数据端staticucharcodenum[]={//从低位到高位，高电平有效 0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,//数字0-9 0xfd,0x61,0xdb,0xf3,0x67,0xb7,0xbf,0xe1,0xff,0xf7,//带点号的0-9 0x00,0x2a,0x6e//暗选,n,h};//接口函数voidwData_Ex(uchar); //在数码管上显示数据#endif/**.c文件，文件名：EqualFre_SGMDisplay.c*/#include"EqualFre_SGMDisplay.h"//接口函数voidwData_Ex(ucharindex){ uchardatai,byte; byte=num[index]; for(i=0;i<8;i++){ sgm_clk=0; sgm_data=(bit)((byte>>i)&0x01); _nop_(); sgm_clk=1; _nop_(); }}/**.c文件，文件名：EqualFre_modeFromKey.c*/#include"EqualFre_modeFromKey.h"//**************内部函数************//按键检测延时staticvoidkeyDelay(){ uchardatax,y; for(x=100;x>0;x--); for(y=200;y>0;y--);}//按键扫描staticvoidkeyScan(){ //选择模式 if(0==Key_Mode){ keyDelay(); if(1==Key_Mode)return; switch(mode){ caseSHOW_FRE_MODE: //测频率 mode=SHOW_WIDE_MODE; //下一次测的是脉宽 break; caseSHOW_WIDE_MODE: //测脉宽 mode=SHOW_DUTY_MODE; //下一次测的是占空比 break; caseSHOW_DUTY_MODE: //测占空比 mode=SHOW_FRE_MODE; //下一次测的是频率 break; default: mode=SHOW_FRE_MODE; break; } while(0==Key_Mode); keyDelay(); } if(0==Key_Hold_Data){ keyDelay(); if(1==Key_Hold_Data)return; mode=HOLD_DATA_MODE; //按下 Key_Hold_Data，即为P1^1时，数据保持不变 while(0==Key_Hold_Data); keyDelay(); }}//*******************接口函数**************uchargetMode_Ex(void){ //返回mode,确定选择的模式 keyScan(); returnmode;}/**.h文件，文件名：equalFre.h*模式控制模块，通过键盘来控制模式的选择，并将所选模式传递给函数*所使用的硬件资源：频率显示、脉宽显示、占空比显示的切换建---P1.0测试值保持键--P1^1*/#ifndef_EQUALFRE_MODEFROMKEY_H_H_#define_EQUALFRE_MODEFROMKEY_H_H_#include<reg52.h>#defineSHOW_FRE_MODE0#defineSHOW_WIDE_MODE1#defineSHOW_DUTY_MODE2#defineHOLD_DATA_MODE3#defineucharunsignedcharsbitKey_Mode=P1^0; //实现频率显示，脉宽显示，占空比显示的转化sbitKey_Hold_Data=P1^1; //将测得的数值定住staticuchardatamode;//内部函数staticvoidkeyDelay(); //按键检测延时staticvoidkeyScan(); //按键扫描//接口函数uchargetMode_Ex(void); //在数码管上显示数据#endif/**.h文件，文件名：EqulaFre_communication.h*通信模块，用于和FPGA通信，获取频率、脉宽、占空比的原始数据。*并将处理好数据传给主程序*所使用的硬件资源：地址线0---P2.0地址线1---P2.1地址线2---P2.2地址线3---P2.3测频标志位---P2.4数据线----P0定时器T0*/#ifndef_EQUALFRE_COMMUNICATION_H_H_#define_EQUALFRE_COMMUNICATION_H_H_#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlong#defineuintunsignedint#defineMY_TH00x5d//对于20Mhz晶振来说，25ms#defineMY_TL00x3d#defineFREE_TIME80//空闲时间，即让FPGA测频率的时间，50ms*FREE_TIME#defineDATA_INP0#defineBASE_FRE100000000//FPGA的基准频率sbitaddress0=P2^0;sbitaddress1=P2^1;sbitaddress2=P2^2;sbitaddress3=P2^3;sbitTEST_EN=P2^4;//当它为1表示测频结束staticulongdatafre,wide;staticuintdataduty;//内部函数staticulonggetSourceData(uchar); //从FPGA中获得基准信号，被测信号的数据//接口函数voidcommunicationInit_Ex(void);voidaskForData_Ex(void); //请求数据ulonggetFre_Ex(void); //计算频率值ulonggetWide_Ex(void); //计算脉宽值uintgetDuty_Ex(void); //计算占空比#endif/**.c文件，文件名：EqualFre_communication.c*/#include"EqualFre_communication.h"//从FPGA那里获得频率、脉宽、占空比的原始值staticulonggetSourceData(ucharsourceKind){ uchardatabyte0,byte1,byte2,byte3; ulongdatatemp=0; byte0=byte1=byte2=byte3=0; switch(sourceKind){ case1://被测信号T值 address3=0;address2=0;address1=0;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte0=DATA_IN; address3=0;address2=0;address1=0;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte1=DATA_IN; address3=0;address2=0;address1=1;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte2=DATA_IN; address3=0;address2=0;address1=1;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte3=DATA_IN; break; case2://基准信号B值 address3=0;address2=1;address1=0;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte0=DATA_IN; address3=0;address2=1;address1=0;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte1=DATA_IN; address3=0;address2=1;address1=1;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte2=DATA_IN; address3=0;address2=1;address1=1;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte3=DATA_IN; break; case3://脉宽W值 address3=1;address2=0;address1=0;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte0=DATA_IN; address3=1;address2=0;address1=0;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte1=DATA_IN; address3=1;address2=0;address1=1;address0=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte2=DATA_IN; address3=1;address2=0;address1=1;address0=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//FPGA反应时间 byte3=DATA_IN; break; default:break; } temp=byte0+byte1*256+byte2*65536+byte3*256*65536; //转化为十进制 returntemp;}//20MHz，25msvoidt0()interrupt1{ staticuchardatacount; TH0