基于FPGA和單片機的多功能計數(shù)器設(shè)計
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一、系統(tǒng)方案
方案1：采用中小規(guī)模數(shù)字電路構(gòu)成系統(tǒng)，由計數(shù)器構(gòu)成主要的測量模塊。用定時器組成主要的控制電路。此方案軟件設(shè)計簡單，但外圍芯片過多，且頻帶窄，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，功能不強，而且不能程控和擴展。
方案2：采用單片機實現(xiàn)。被測信號經(jīng)調(diào)理后送入單片機，利用其內(nèi)部的計數(shù)器完成計數(shù)，然后再進行數(shù)據(jù)處理和顯示，但單片機在處理高速信號時略顯吃力。
方案3：利用FPGA對調(diào)理后的被測信號實現(xiàn)高速計數(shù)，單片機軟件執(zhí)行高精度浮點數(shù)運算并顯示。單片機完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯控制和人機交互功能;大規(guī)?，F(xiàn)場可編程器件(FPGA)實現(xiàn)外圍計數(shù)功能。電路框圖如圖1所示。
圖1 方案3系統(tǒng)框圖
方案比較與選擇：方案1 采用中小規(guī)模集成電路來實現(xiàn)，系統(tǒng)電路較復(fù)雜，擴展性能差;方案2用外圍電路配合單片機實現(xiàn)測量功能，信號頻率比較高時需外加分頻電路，影響測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且單片機任務(wù)繁重，給軟件設(shè)計和調(diào)試工作帶來不便;方案3用一片高度集成的可編程邏輯器件可完成有關(guān)電路所有模塊的設(shè)計，大大降低了電路復(fù)雜度，減少引線信號間的干擾，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。加上單片機控制，應(yīng)用單片機的數(shù)學(xué)運算和控制功能，輔以有效的軟件濾波算法，能夠進一步提高測量精度，且控制靈活、易于擴展和調(diào)試簡單，能夠達到題目要求。故本設(shè)計采用方案3，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
二、理論分析與計算
1、頻率和周期測量方法分析
由于頻率和周期之間存在倒數(shù)關(guān)系(f=1/T)，所以只要測得兩者中的一個，另一個可通過計算求得。
1)直接測量法 對測頻在低頻端1Hz時，若閘門時間為1s，其 ±1量化誤差大到100%。為了滿足測試精度的要求，顯然不能采用直接測量法;
2)直接與間接測量相結(jié)合的方法 需對被測頻率和中界頻率的關(guān)系進行判斷，在中界頻率附近仍不能達到較高的測量精度;
3)等精度測量法 圖2為等精度測頻、測周原理方框圖。
圖2 等精度測頻原理圖
2 相位差測量方法分析
相位差的測量有很多種方法，如相位—電壓轉(zhuǎn)換法、數(shù)值取樣法和相位差—時間轉(zhuǎn)換法等。其中相位差—時間轉(zhuǎn)換法實際上是測量兩個正弦信號波形上兩個相應(yīng)點之間的時間間隔t，若兩被測信號周期均為T，則時間間隔t對應(yīng)的相位差為：
如果只測量一個周期的t和T，無法滿足寬頻帶被測信號的測量精度。如果時間間隔t和周期T測量值比較準(zhǔn)確，再通過單片機對實測數(shù)據(jù)進行高精度浮點數(shù)運算及誤差修正，就可以達到精度要求。按照這一思路，結(jié)合上面對等精度測頻、測周原理及誤差的分析可知，此方法是切實可行的。
設(shè)門控信號的開啟時間為tc ，計數(shù)值為N，則tc=NT0 (5)
式中T0 為時標(biāo)信號的周期，由(5)式和(6)式得
式中f為被測信號頻率，10HZ≤f≤100kHZ ，f0 為標(biāo)準(zhǔn)時基，N為計數(shù)值。
3 寬帶通道放大器分析
因為三極管放大電路參數(shù)選擇復(fù)雜，低頻特性不好，抗噪性能差。因此，設(shè)計中采用了寬頻帶、低噪聲、高輸人阻抗的運算放大器組成高精度放大電路，以獲得良好的頻率特性和抗干擾能力。輸入通道中的放大級設(shè)計主要考慮增益和帶寬的指標(biāo)。題目要求能夠測量信號幅度峰值范圍約為14mv～7.07v。這個范圍是比較寬的，既涉及到小信號放大，又要考慮比較器輸入電壓限制問題，因此，應(yīng)根據(jù)信號幅度大小分段選擇放大器的增益。還有就是要滿足運放增益帶寬積的要求。
三、電路與程序設(shè)計
1 輸入通道電路設(shè)計
待測頻率信號由于衰減、傳輸干擾等原因，不能直接用于測量，需要經(jīng)過處理后才能適合邏輯控制器的輸入。輸入通道組成框圖如圖3所示。
圖3 輸入通道組成框圖
圖4 放大電路原理
輸入信號經(jīng)電壓跟隨器緩沖后進入放大通路，靈敏度控制采用單片機控制繼電器的通斷來選擇不同的放大倍數(shù)，被放大的信號經(jīng)比較器輸出與被測信號同頻率的方波計數(shù)信號若要測相位差，則同頻信號經(jīng)放大后進入移相網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)過零比較得到移相后的計數(shù)信號。
比較器采用滯回接法，詳細電路見附錄一，從而避免了過零點信號的毛刺造成整形信號的誤翻轉(zhuǎn)。其中放大電路基本原理如圖4所示，其中Rf為反饋電阻，R為輸入端電阻，有
Uo = - Ui × ( Rf / R ) (7)
由式(7)知，調(diào)節(jié)Rf的大小即可調(diào)整電路的增益。
移相網(wǎng)絡(luò)電路如圖5所示。
圖5 移相網(wǎng)絡(luò)電路圖
圖6 FPGA功能實現(xiàn)框圖
對圖5電路分析知，兩級網(wǎng)絡(luò)的振幅特性均為A(ω)=1 ，前級網(wǎng)絡(luò)相頻特性為
可見此為超前網(wǎng)絡(luò);后級網(wǎng)絡(luò)相頻特性為
所以相位發(fā)生滯后，通過改變阻值r即可實現(xiàn)相移量調(diào)整。兩級級聯(lián)后移相范圍為0~360°。
2 FPGA 功能實現(xiàn)模塊
FPGA實現(xiàn)部分主要分為信號同步處理,等精度計數(shù)和數(shù)據(jù)處理及傳輸3部分，如圖6所示。FPGA采用Altera公司的EP2gC5Q208C8，經(jīng)分析知能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求。
(1) 同步處理電路 待測信號從外時鐘域進入,屬于異步信號,對測量精度乃至整個系統(tǒng)的穩(wěn)定都有很大的影響,在這里,先對輸入信號進行一次采樣進行消抖,濾去可能存在的毛刺, 然后進行一級同步處理，盡可能有效地對異步信號進行同步處理。
(2)計數(shù)測量 采用等精度法測頻率,利用相位~時間轉(zhuǎn)換法進行相位差測量,并將測得數(shù)據(jù)進行寄存。
(3) 數(shù)據(jù)存儲 將得到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù) 再通過時序控制將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，然后單片機以其自身的時鐘頻率進行讀取,從而有效地消除跨時鐘域數(shù)據(jù)處理時所造成的不穩(wěn)定影響。.
3 單片機控制模塊
在本系統(tǒng)中，單片機采用MSP430F149，主要完成放大通路靈敏度選擇、讀取實測數(shù)據(jù)及處理和鍵盤與顯示接口等三種功能。其中靈敏度選擇是通過控制繼電器的通斷來實現(xiàn)通路切換;按鍵采用紅外遙控方式，其中發(fā)射部分采用 PT2221，接收部分采用高靈敏度、高度集成的一種新型紅外遙控接收光電模塊HS0038，然后通過單片機直接軟件解碼處理，進而執(zhí)行與之對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序;因為要同時顯示較多數(shù)據(jù)，所以我們采用字符型液晶顯示。
4 主程序流程圖
單片機系統(tǒng)主要流程圖如圖7所示，具體程序見附錄三。
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