采用TMS320F2812 DSP芯片為控制單元,，在無需任何門控器件控制的情況下,，利用DSP 2812豐富的軟件資源實現(xiàn)了等精度測量,。根據(jù)每個門閘時間內高頻標準脈沖的個數(shù)與已知被測信號的個數(shù),，求得被測信號頻率，再通過多次平均得到最終結果,。

　　* 本作品獲得2008年德州儀器(TI) C2000 DSP大獎賽命題組一等獎,，并得到合肥工業(yè)大學2008年大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目的資助

　　作品的意義與概況

　　隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展, 各種電子測量儀器在原理、功能,、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化, 特別是DSP技術誕生以后,，電子測量技術更是邁進了一個全新的時代。近年來,，DSP逐漸成為各種電子器件的基礎器件,，逐漸成為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ某栃袠I(yè)，甚至被譽為信息化數(shù)字化時代革命旗手,。在電子測量技術中,，頻率是最基本的參數(shù)之一,，它與許多電參量和非電量的測量都有著十分密切的關系。例如,，許多傳感器就是將一些非電量轉換成頻率來進行測量的，因此頻率的測量就顯得更為重要,。數(shù)字頻率計是用數(shù)字來顯示被測信號頻率的儀器,，被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號,。

　　數(shù)字頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路,，使得儀器的體積更小、耗電更少,、精度和可靠性更高,。而傳統(tǒng)的頻率計測量誤差較大，范圍也較窄,，因此逐漸被新型的數(shù)字頻率計所代替,。基于DSP的等精度頻率計以其測量準確,、精度高,、方便、價格便宜等優(yōu)勢將得到廣泛的應用,。

　　我們設計的簡易數(shù)字頻率計在未采用任何門控器件控制的情況下,，在很寬的范圍內實現(xiàn)了等精度頻率測量，0.5Hz~10MHz的范圍內測量方波的最大相對誤差小于2e-6,，測量正弦波的最大相對誤差小于3.5e-5,；結果通過RS232通訊顯示在計算機上，可以很方便地監(jiān)測數(shù)據(jù),。

　　方案設計

　　總體介紹

　　傳統(tǒng)的等精度測頻法使用門控器件產(chǎn)生門控信號,，從而實現(xiàn)實際門閘信號與被測信號同步，消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的一個脈沖的誤差,，其原理圖如圖1所示,。

圖1 傳統(tǒng)的等精度測量原理

　　由硬件控制計數(shù)的門閘時間，當預置們信號(即定閘門信號)為高電平時,，基準信號計數(shù)器CNT1和被測信號計數(shù)器CNT2并不啟動,，而是等被測信號的上升沿來到時才同時開始計數(shù)；當預置們信號為低電平時,，兩個計數(shù)器并不馬上關閉,，同樣要等到被測信號上升沿來到后再關閉；于是,，實際閘門時間就是被測信號周期的整數(shù)倍,，從而實現(xiàn)了閘門與被測信號的同步,。但是，實際的門閘時間并不固定,，與被測信號的頻率有關,。此外，無論是采用計數(shù)器還是單片機,，在實現(xiàn)等精度測量時總是離不開門控器件,。

　　本設計基于DSP豐富的軟件資源，經(jīng)過判斷和處理,，完成了對被測信號頻率的等精度測量,。硬件上無需任何門控器件，簡化了電路,。系統(tǒng)框圖如圖2所示,，信號處理部分以TMS320F2812 DSP芯片作為控制和測量的核心；信號調理部分主要是完成對信號的放大,、整形和限幅,；標準頻率信號由30MHz有源晶振產(chǎn)生，作為高頻標準填充脈沖,；通過DSP的SCI模塊與上位機實現(xiàn)通信,，結果顯示在上位機上。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　頻率/周期測量

　　在對被測信號頻率和周期的測量中,，等精度測量是基于DSP比較匹配時T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號的開啟和關閉,，由于比較匹配發(fā)生在被測信號的上升沿，從而實現(xiàn)了門閘時間與被測信號的同步,。原理圖如圖3所示,。

圖3 本等精度頻率測量原理

　　通用定時器T1時鐘輸入選擇外部定時器時鐘，此處用調理后的被測信號作為定時器T1的時鐘輸入,，定時器T2時鐘輸入選擇內部CPU時鐘,，用來產(chǎn)生高頻標準填充脈沖。F2812片上EVA中通用定時器T1在發(fā)生比較匹配事件時,，其比較輸出引腳T1CMP輸出信號會自動改變電平狀態(tài),，產(chǎn)生PWM波。捕獲單元CAP1設置為上升沿捕獲,，T1PWM輸出的PWM波上升沿被CAP1捕獲到,，讀取此時定時器T2的計數(shù)值，同理在下一次比較匹配時再次讀取定時器T2的計數(shù)值,。通過兩次T2CNT值的相減,，即可獲得該門閘時間內標準填充脈沖的個數(shù)，然后求出被測信號頻率,。

 　　基于DSP比較匹配時T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號的開啟和關閉,，由于比較匹配發(fā)生在被測信號的上升沿,，從而實現(xiàn)了門閘時間與被測信號的同步。兩個相鄰的比較匹配產(chǎn)生的PWM波的上升沿分別作為門閘信號的開啟和關閉信號,，其中被測信號的個數(shù)為整數(shù),，并且是由我們自己任意設定的。定時器T2時鐘輸入選擇內部CPU時鐘,，用來產(chǎn)生標準填充脈沖,。設定捕獲單元CAP1為上升沿捕獲，當其捕獲到上升沿時讀取堆棧CAPFIFO內的值,，在下一次捕獲到時再讀堆棧內的值，計算出標準填充脈沖的個數(shù)Ny,，保證Ny的個數(shù)不小于一定的值,，即可保證門閘時間大于一定的值。假設現(xiàn)在希望一個門閘時間內高頻填充脈沖的總數(shù)不小于n,，當Ny>n時,，就增大定時器T1的定時周期，即增大定時器T1周期寄存器TIPR的值,。存在公式T1PR+1=n/Ny,，由于n/Ny不一定為整數(shù)，假a

　　周期測量與頻率測量的基本原理完全相同，測出信號頻率,，根據(jù)公T=1/f即可得出被測信號的周期,。

　　誤差分析

　　定時器T1計數(shù)的啟停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在一次測量時間內對被測信號的計數(shù)無誤差,；在此時間內標準頻率脈沖的計數(shù)個數(shù)Ny,，最多相差一個脈沖，故理論誤差為：

　　|d|≤1/Ny

　　顯然,，測量精度僅僅與Ny有關,，只要Ny值足夠大，就能保證精度,。

　　硬件設計

　　如圖4所示,，將被測信號經(jīng)過高速運放OPA2690進行放大，在經(jīng)過高速比較器TL3016進行整形[3],，由于比較器在對低頻正弦波信號進行整形時,，輸出波形的邊沿有比較嚴重的抖動，影響測量,。解決辦法是對比較器加入正反饋,，加速信號邊沿，同時形成滯環(huán),，可有效消除抖動,。整形后的信號經(jīng)過高速施密特觸發(fā)SN74LVC1G14進行限幅和進一步整形。測量部分主要使用DSP2812芯片上定時器T1的時鐘輸入引腳TCLKINA,、定時器T1的比較輸出引腳T1PWM和捕獲單元CAP1的輸入引腳CAP1,，即可完成頻率測量。通訊部分選擇MAX3221作為RS-232電平轉換器件,，通過9芯標準RS-232口與上位機進行串行通信,。主要使用了DSP的串行通信發(fā)送引腳SCIRXD和串行通信接收引腳SCITXD。

圖4  硬件電路連接圖

　　軟件設計

　　軟件設計部分主要包括以下四部分：

·初始化：對變量參數(shù),、系統(tǒng)時鐘,、PIE、EV,、Flash,、GPIO等進行配置。
·中斷模塊：SCI中斷和定時器T2,、T3上溢中斷,。
·數(shù)據(jù)處理模塊：分段+取算術平均值,。
·輸出操作模塊：數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232傳給上位機。

　　圖5為測頻率,、周期軟件流程圖,，圖6為定時器2的溢出中斷流程圖。

圖5  測頻率,、周期流程圖

圖6  定時器T2溢出中斷流程圖

　　在該部分初始化時，要進行以下配置：通用定時器T1時鐘輸入為外部定時器時鐘,，通用定時器T2時鐘輸入為內部時鐘輸入,，用來對標準脈沖進行計數(shù)，該標準脈沖由外部30MHz的有源晶振提供,；捕獲單元1設置為上升沿捕獲,，用來捕獲T1PWM引腳輸出PWM波的上升沿，在每次比較匹配時讀取定時器T2的計數(shù)值T2CNT,，該值保存在CAP1FIFO內。初始化時要將捕獲單元1的狀態(tài)寄存器中的FIFO堆棧狀態(tài)設置成空堆棧,；將定時器T1的定時周期設置為4個被測信號的周期長度,，通過測得的定時器T1的一個定時周期內的標準脈沖的個數(shù)，計算出被測信號頻率,，然后對被測信號進行分段,，分別為低頻段(小于46.875Hz)，中頻段(大于46.875Hz,，小于2343.75KHz),，以及高頻段(大于2343.75 KHz)，其中分段的依據(jù)是定時器的計數(shù)飽和值為65536和計數(shù)個數(shù)應大于等于1,。若信號頻率為中高頻段則重新配置定時器T1,，定時器T2的寄存器，來改變定時周期以及每個門閘時間內的高頻填充脈沖的個數(shù),。在定時器T1的下一個定時周期內計算出頻率和周期,。另外，定時器T2的溢出次數(shù)要在第一次發(fā)生比較匹配時清零,，而是否是第一次發(fā)生比較匹配則通過設置一個標志來判斷,。當溢出次數(shù)清零后才開始記溢出次數(shù)，直到第二次發(fā)生比較匹配,。

　　下一步改進意見

　　該方法的測量誤差主要來自硬件部分,，整形電路的優(yōu)劣直接關系到測量精度的高低。所以我們下一步的工作就是改進整形電路的整形效果和抗干擾性能,，盡最大可能減小信號整形帶來的誤差,。

　　由于DSP定時器在計數(shù)時存在計數(shù)飽和的情況,，因此在實現(xiàn)該等精度測量時存在上限，即當被測信號頻率高于高頻填充脈沖的頻率時,，該方法就不能實現(xiàn)等精度了,。可以在該方案的基礎上進行以下處理：選擇定時器T1定時周期內被測信號的個數(shù)固定,，可設置T1PR為65529,，同時將定時器T2的時鐘修改為75MHz，這樣就能保證每個門閘時間內高頻填充脈沖的個數(shù),，從而在對高頻信號實現(xiàn)頻率和周期測量時保證了精度,。

　　但選擇定時器T1時鐘輸入為外部時鐘時對被測信號的輸入范圍存在限制，如果要進一步提高測量的信號的范圍,，使得范圍達到上百兆或上G赫茲,，可以考慮相位測量的方法，將被測信號設為360度,，根據(jù)被測信號與標準信號之間的X度相位差,，計算被測信號頻率。