基于TMS320F2812的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)
單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 合肥工業(yè)大學(xué) 張巧云 陶維青
摘要： 為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求，新型的頻率計(jì)中都使用了單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣,，由軟件代替了復(fù)雜的硬件電路,，使儀器的結(jié)構(gòu)簡化，功能增強(qiáng),。本文給出一種基于TMS320F2812(簡稱F2812)DSP的一種簡易測頻方法,。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能,，在被測信號的有效電平跳變沿捕獲計(jì)數(shù),，電路實(shí)現(xiàn)多靠軟件設(shè)置,，運(yùn)算簡單，實(shí)時(shí)性好,，測量精度高,。
Abstract：
Key words :
頻率是指某周期現(xiàn)象在單位時(shí)間內(nèi)所重復(fù)的次數(shù)，它與時(shí)間在數(shù)學(xué)上互為倒數(shù),。時(shí)間頻率的精確測量促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展,，而科學(xué)的發(fā)展又反過來把時(shí)間頻率的測量提高到新的高度。特別在最近的幾十年里,，頻率和時(shí)間的測量精度已達(dá)到非常高的水平，即已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他所有物理量的測量精度,。它主要的應(yīng)用領(lǐng)域有導(dǎo)航和通信兩大類,，以及空間技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn),、交通,、科學(xué)研究及天文學(xué)與計(jì)量學(xué)方面。
為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求,，新型的頻率計(jì)中都使用了單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，這樣，由軟件代替了復(fù)雜的硬件電路,，使儀器的結(jié)構(gòu)簡化,，功能增強(qiáng)。本文給出一種基于TMS320F2812(簡稱F2812)DSP的一種簡易測頻方法,。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能,，在被測信號的有效電平跳變沿捕獲計(jì)數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)多靠軟件設(shè)置,，運(yùn)算簡單,，實(shí)時(shí)性好，測量精度高,。
1 測量方法
常用的測頻方法主要有直接測頻法,、直接測周法以及多周期測量法。直接測頻法雖在高頻段的精度較高,，但在低頻段的精度較低,，直接測周法則恰恰相反。多周期測量法是將被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器,，其實(shí)際閘門時(shí)間不是固定值,，而是被測信號周期的整數(shù)倍,，因此消除了對被測信號計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1 Hz的計(jì)數(shù)誤差，其精度僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān),。因此本設(shè)計(jì)采用多周期測量法作為具體的實(shí)施方案,。
2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。被測信號首先經(jīng)過限幅放大,、直流偏置,、整形電路，變換為0～3．3 V的方波信號,，然后再進(jìn)入DSP,，利用其定時(shí)器和捕獲單元實(shí)現(xiàn)頻率的測量。測量完成后,，一方面可由鍵盤設(shè)置相關(guān)參數(shù)通過LCD顯示測量結(jié)果,，另一方面可通過RS一232傳送給PC機(jī)顯示測量結(jié)果。另外,，為了提高系統(tǒng)的可靠性,，增加了一個(gè)自我校準(zhǔn)電路，即在測量之前,，可通過軟件設(shè)置產(chǎn)生1 MHz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號,，送到信號調(diào)理模塊的輸入端，檢測測量結(jié)果是否正確,，從而達(dá)到自我校準(zhǔn)的目的,。
本設(shè)計(jì)選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812 DSP作為核心處理單元。F2812是TI公司近幾年推出的高速,、高精度的工業(yè)控制DSP芯片,。它運(yùn)算速度快，工作時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz,，指令周期可以達(dá)到6．67 ns以內(nèi),，低功耗(核心電壓1．8 V，I／O口電壓3．3 V),。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu),，具有強(qiáng)大的操作能力；外圍設(shè)備包括3個(gè)32位的CPU定時(shí)器,，16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器,，串行外圍接口(SPI)，2個(gè)串行通信接口(SCI)等,。其片內(nèi)外設(shè)時(shí)間管理器含有2個(gè)模塊(EVA和EVB),，每個(gè)模塊都包括2個(gè)通用定時(shí)器，3個(gè)全比較／PWM單元，3個(gè)捕獲單元和 1個(gè)正交編碼脈沖電路,。本設(shè)計(jì)主要利用EVA中的2個(gè)通用定時(shí)器(T1和T2),，2個(gè)捕獲單元(CAPl和CAP3)，EVB中的1個(gè)通用定時(shí)器 (T3),。具體測量原理如圖2所示,。
首先設(shè)定T3比較值(預(yù)置閘門時(shí)間為0．012 8 s)，設(shè)定T1的比較值為1,，使能CAPl,。然后使能T1，當(dāng)其接收到一個(gè)整周期的被測信號時(shí)即可產(chǎn)生比較輸出,，同時(shí)產(chǎn)生比較中斷,，讀取CAPl的棧值 (即T2的初值t2_1)，清T1,、T2上溢次數(shù),，使能CAP3和T3。最后當(dāng)T3定時(shí)結(jié)束,，借助于D觸發(fā)器在被測信號的下一個(gè)上升沿到來時(shí),，切斷T1的比較輸出，同時(shí)PDPINTA將被置位,，然后記錄T1和T2的上溢次數(shù)tlofcount、t2ofcount,，讀取CAPl的棧值(即T2的末值 t2_2)和CAP3的棧值(即T1的末值tl_2),。由所得數(shù)據(jù)計(jì)算頻率，禁止T1,、T2,、CAPl和CAP3。頻率計(jì)算公式為：
注意：CAPl的捕獲時(shí)基為T2,，CAP3的捕獲時(shí)基為T1,，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為150 MHz時(shí)鐘頻率的8分頻。
2．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
主監(jiān)控程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序,，它控制著程序的有序運(yùn)行,。系統(tǒng)在上電或復(fù)位后，主程序先調(diào)用各模塊的初始化子程序,，主要包括GPIO初始化,、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化,。系統(tǒng)初始化完成之后,，主程序啟動CPU_Timer0，使能 T1,、T2的上溢中斷,，啟動CAPl,，設(shè)置T1的比較值為1，等待T1CINT置位,，開始測量頻率,。為減小測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，所測結(jié)果均取平均值,。利用CPU_Timer0產(chǎn)生一定的時(shí)間段(O．6s),。該時(shí)段結(jié)束后(CPU_TimerO中斷標(biāo)志位置位)，即對該段時(shí)間段內(nèi)記錄的測量結(jié)果求均值,。此時(shí),，如果查詢到上位機(jī)發(fā)出接收請求，則傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)至PC顯示,。然,，后，重新初始化定時(shí)器和捕獲單元,，進(jìn)入下一輪測量,。主監(jiān)控程序流程如圖3所示。
測頻的部分源代碼如下：
3 誤差分析及測試結(jié)果
3．1 量化誤差
設(shè)被測信號的頻率為Fx,，其真實(shí)值為Fxe,，標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，在一次測量中,，預(yù)置閘門時(shí)間為T′,，Tpr為實(shí)際閘門時(shí)間，被測信號計(jì)數(shù)值為Nx,，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號計(jì)數(shù)值為Ns,。
Fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在T′時(shí)間內(nèi)對Fx的計(jì)數(shù)Nx無誤差,，對Fs的計(jì)數(shù)Ns假設(shè)相差N個(gè)脈沖,，即|△et|≤n。
由于Fx／Nx=Fs／Ns,，F(xiàn)xe／Nx=Fs／(Ns+△et),，根據(jù)相對誤差公式有：
因此可以得到以下結(jié)論：
①相對測量誤差與被測信號的頻率無關(guān),。
?、谠龃骉′或者提高Fs，可以增大Ns,，減少測量誤差,，提高測量精度。本設(shè)計(jì)方案中，預(yù)置閘門時(shí)間限定了最低的測量精度,。
?、壅`差分析中的n，主要由硬件切斷T1PWM所需要的時(shí)間決定,，為一個(gè)小整型常數(shù),。若預(yù)置閘門時(shí)間Tpr=O．012 8 s，則
即使n取不為l的小整型常數(shù),，仍可以使得精度維持在十萬分之一以內(nèi),，并且可以隨著預(yù)置閘門時(shí)間的適當(dāng)延長，得到進(jìn)一步的提高,。
3．2 測量的原理誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差
本測量原理類似多周期同步測量原理,，主要的原理誤差來自測量即將結(jié)束時(shí)，由D觸發(fā)器產(chǎn)生低電平跳變來切斷T1PWM,，從而使其產(chǎn)生由CAPl和CAP3同時(shí)捕獲上升沿的跳變,。這段時(shí)間主要是由D觸發(fā)器的反應(yīng)時(shí)間決定。在測量過程中,，針對這部分誤差,，可以通過適當(dāng)增加預(yù)置閘門的時(shí)間來克服，同時(shí)考慮到DSP 內(nèi)部高速的時(shí)鐘頻率,，這并不會明顯地增加測量耗時(shí),，但卻達(dá)到了弱化此誤差的影響、增加測量精度的目的,。
標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為△Fs／Fs,。因?yàn)榫w的穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以進(jìn)行校準(zhǔn),，并且已將DSP內(nèi)部的高速時(shí)鐘頻率進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆诸l，所以相對于量化誤差,，校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略不計(jì),。
3．3 測試結(jié)果
用函數(shù)信號發(fā)生器(型號為Tektronix AFG3010；精度為O．000 1％)產(chǎn)生方波信號,，用設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測出頻率,，求出誤差。本測頻系統(tǒng)的測量精度可達(dá)到O．01％,。根據(jù)誤差分析可知,，系統(tǒng)的最大誤差發(fā)生在預(yù)置閘門時(shí)間正好填充了整數(shù)個(gè)被測信號時(shí)，即頻率為78．125 Hz或者其整數(shù)倍時(shí),，所以選擇這些點(diǎn)進(jìn)行測試,。實(shí)際的測試數(shù)據(jù)如表1所列。
4 結(jié)論
本文著重分析了數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案、硬件組成,，以及采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信的軟件設(shè)計(jì),。特點(diǎn)有：
①在頻率測量原理方面,，由于采用了多周期測量原理,，消除了對被測信號計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差，其精度僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān),，克服了傳統(tǒng)的測頻法或測周法的不足,，實(shí)現(xiàn)了寬量程、高精度的頻率測量,。同時(shí)由于預(yù)置閘門時(shí)間的存在,，保證了當(dāng)被測頻率在各頻段之間來回切換時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,，跟隨性能好,。
②在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方面,，充分利用了F2812 DSP的內(nèi)部資源,，即使用事件管理器中的定時(shí)器、捕獲單元完成頻率的測量,；使用PWM的輸出實(shí)現(xiàn)自檢電路的設(shè)計(jì),；使用串口通信模塊完成上位機(jī)和下位機(jī)的通信。在測量結(jié)果的顯示方面利用RS232,，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議,，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的通信，將測量結(jié)果在上位機(jī)中顯示出來,。
本文只探討了如何對單路信號進(jìn)行頻率測量,，而對于多路信號，可先使其經(jīng)過一個(gè)與門,，通過軟件判斷哪一路信號,，然后再運(yùn)用本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測量。針對這種情況所產(chǎn)生的誤差問題還需作進(jìn)一步的探討,，本文只給出初步的探索,。
參考文獻(xiàn)
1. 周文水 相位寬帶測頻原理的研究與實(shí)現(xiàn) [學(xué)位論文]
2. 徐科軍.李國麗 電氣測試基礎(chǔ) 2002
3. 張志文.田英峰 基于 DSP的高精度頻率測量系統(tǒng)的研究 [期刊論文] -西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2007(2)
4. Texas Instruments Incorporated TMS320F28x DSP Family User's Guide
5. 梁文海 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙計(jì)數(shù)器多周期同步法頻率測量 [期刊論文] -現(xiàn)代電子技術(shù)2007(7)
6. 鄭杰.陶維青 基于 TMS320F2812事件管理器的一種測頻方法 [期刊論文] -微計(jì)算機(jī)信息2006(5)
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。