基于PIC16F877A單片機(jī)的高分辨率頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

　　1 引言
　　隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以單片機(jī)為控制核心的控制器件，已經(jīng)全面滲透到測(cè)試儀器和計(jì)量檢定的各個(gè)方面。同時(shí)，頻率計(jì)作為一種常用工具，在工程技術(shù)和無(wú)線電測(cè)量、計(jì)量等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。本文介紹了一種以PIC16F87X系列單片機(jī)為控制器的高分辨率頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。

　　該方法設(shè)計(jì)的頻率計(jì)主要用來(lái)測(cè)量脈沖頻率。它采用LCD圖形液晶顯示，清晰度高，可視范圍廣，可外接晶體頻率源，具有測(cè)量速度快、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

　　2 設(shè)計(jì)原理

　　PIC16F877A單片機(jī)內(nèi)部集成有捕捉/比較/脈寬調(diào)制PWM (CCP)模塊。當(dāng)CCP工作在捕捉(capture)方式時(shí)，可捕捉外部輸入脈沖的上升沿或下降沿，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。

　　PIC16F877A單片機(jī)內(nèi)部還集成了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，在本方案中采用其中的TMR1作為定時(shí)器，該定時(shí)器的工作原理是通過(guò)TMR1“寄存器對(duì)”TMR1H:TMR1L從0000H遞增到FFFFH，之后再返回0000H時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高位溢出，并且將會(huì)設(shè)置溢出中斷標(biāo)志位TMR1IF為I，同時(shí)引起CPU中斷響應(yīng)。

　　在均勻的脈沖序列中，脈沖頻率值等于單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的脈沖次數(shù)。根據(jù)這個(gè)原理，可以采用PIC16F87X系列單片機(jī)(本文以PIC16F877A型單片機(jī)為例)內(nèi)置定時(shí)器模塊TMR1計(jì)時(shí)，同時(shí)使用CCP模塊的捕捉功能，每間隔n(n=1,4,16)個(gè)脈沖捕捉一次并產(chǎn)生中斷，記錄第1個(gè)和第(m-1)*n+1個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)的定時(shí)器計(jì)時(shí)t1和tm，如圖1所示。

圖1脈沖捕捉示意圖

　　用被捕捉的脈沖次數(shù)除以第1次和第(m-1)*n+1次脈沖之間間隔的時(shí)間即可得到脈沖頻率值。因此，脈沖頻率值計(jì)算公式為：

　　3 被測(cè)頻率值范圍

　　在測(cè)試過(guò)程中，需要特別注意的是，兩次CCP中斷的時(shí)間間隔必須大于1次中斷服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。否則，如果在中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)又發(fā)生CCP中斷，就不能正常工作。

　　根據(jù)上述條件，則有：

　　由上式得到：

　　式中：

　　SCCP — 表示捕捉分頻倍數(shù)。 　　fx — 表示被測(cè)頻率t 　　TCYC —表示系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 　　N —表示中斷所需最小指令周期數(shù)?！　≡O(shè)定：SCCP=16，N=40，TCYC= 4/20MHz = 0.2 us，則： fx2,000,000Hz

　　由此可知，實(shí)際頻率測(cè)量范圍在0-2 MHz之間。

　　若需測(cè)量更大頻率，可以根據(jù)需要在待測(cè)頻率和CPU的CCP口之間接入相應(yīng)倍數(shù)的分頻器，每接入一個(gè)1/n倍分頻器，可測(cè)頻率范圍可擴(kuò)大n倍(如圖2所示)。如在待測(cè)頻率和CCP口之間接入三個(gè)1/10倍分頻器，則可測(cè)頻率范圍為0～2 GHz。

圖2 CPU外接示意圖

　　4 程序設(shè)計(jì)

　　4．1中斷程序

　　中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3中斷子程序流程圖

　　中斷服務(wù)子程序如下：

　　void interrupt TMR I_CCP2_ini(void)
{
if(TMR1IF==I) //判斷是否定時(shí)器中斷
{
TMRIIF=0; //TMR1中斷標(biāo)志位清0
TMR1ON=0; //關(guān)閉TMR1
TMR1L=0x00; //設(shè)置TMR1數(shù)據(jù)寄存器初始值 0x0bdc
TMR1H=0x00;
TMR1ON=1; //開(kāi)啟TMR1
time_count++; //定時(shí)計(jì)數(shù)器減1
}
if(CCP2IF==1) //判斷是否CCP2中斷
{
if(ccp_count==0)
{
TMR1IE=1; //允許TMR1中斷
TMR1IF=0; //TMR1中斷標(biāo)志位清0
T1CON=0x30; //設(shè)置1:8分頻，關(guān)閉TMR1
TMR1L=0x00; //TMR1數(shù)據(jù)寄存器清零
TMR1H=0x00;
TMR1ON=1; //開(kāi)啟TMR1中斷
}
CCP2IF=0; //CCP2中斷標(biāo)志位清0
ccp_count++; //脈沖計(jì)數(shù)器加1
}
}

　　4.2測(cè)試過(guò)程程序

　　程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

測(cè)試過(guò)程程序如下：

　　unsigned long measure_course(unsigned char
catch_mode)
{
time_count=0; //定時(shí)計(jì)數(shù)器清零
ccp_count=O //脈沖計(jì)數(shù)器清零
GIE=1; //允許全局中斷
PEIE=1; //允許外圍中斷
TRISC1=0; //CCP2(RC1)輸入
CCP2IE=1; //允許CCP2中斷
CCP2IF=0; //CCP2中斷標(biāo)志位清0
CCP2CON=catch_mode; //設(shè)置捕捉脈沖模式
e(); //中斷開(kāi)始
while(1) //等待定時(shí)中斷，時(shí)間到則退出
if(ccp_count==2)
break;
di(); //中斷結(jié)束

TMR1ON=0; //關(guān)閉TMR1
CCP2CON=0x00; //關(guān)閉CCP2
CCP2IE=0; //關(guān)閉CCP2中斷
CCP2IF=0; //CCP2中斷標(biāo)志位清0
TRISC1=0; //CCP2(RC1)輸出
TMR1IE=0; //關(guān)閉TMR1中斷
TMR1IF=O; //TMR1中斷標(biāo)志位清0
PEIE=0; //關(guān)閉外圍中斷
GIE=0; //關(guān)閉全局中斷
……
}

　　5 性能評(píng)價(jià)

　　傳統(tǒng)的頻率測(cè)量方法有兩種：一是測(cè)周期求頻率，這樣對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)的信噪比要求高，否則就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；另一種是計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生脈沖數(shù)量，雖然這種方法對(duì)信噪比要求不高，但是顯示分辨率受到限制，并且會(huì)產(chǎn)生±1的誤差。

　　本方案摒棄了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，采用測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)及計(jì)算被測(cè)脈沖所經(jīng)歷時(shí)間的方法，完全避免了傳統(tǒng)方法的弊端。

　　在本方案中，CPU接外頻標(biāo)(如圖2所示)，測(cè)量誤差僅為時(shí)基誤差，而較好的外頻標(biāo)的誤差一般小于±10-9，因而測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字最少可達(dá)8位以上，使得低頻測(cè)量與高頻測(cè)量的有效位數(shù)一致。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，使用該方法研制的頻率計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、使用方便、
穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域。同時(shí)由于使用軟件控制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用硬件少，使得成本低廉且攜帶方便，因此也可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活中，具有推廣價(jià)值。