sopceda綜合課程設(shè)計(jì)--等精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、<p>　　SOPC/EDA綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè) 計(jì) 者： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　班 級： </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p>

2、<p><b>　　完成時(shí)間： </b></p><p>　　等精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計(jì)的測量精度將隨著被測信號頻率的下降而降低，在實(shí)用中有很大的局限性，而等精度頻率計(jì)不但有較高的測量精度，而且在整個(gè)測頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測試

3、精度。運(yùn)用等精度測量原理，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種數(shù)字頻率計(jì)，由于采用了屏蔽驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)字均值濾波等技術(shù)措施，因而能在較寬定的頻率范圍和幅度范圍內(nèi)對頻率，周期，脈寬，占空比等參數(shù)進(jìn)行測量，并可通過調(diào)整閘門時(shí)間預(yù)置測量精度。選取的這種綜合測量法作為數(shù)字頻率計(jì)的測量算法，提出了基于FPGA 的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案。給出了該設(shè)計(jì)方案的實(shí)際測量效果，證明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，能達(dá)到較高的頻率測量精度。</p><p>　　

4、關(guān)鍵詞 等精度測量，單片機(jī)，頻率計(jì)，閘門時(shí)間，F(xiàn)PGA</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1摘 要 </b></p><p><b>　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇 5</p&

5、gt;<p>　　2.1.1 頻率測量模塊5</p><p>　　2.1.2 周期測量模塊6</p><p>　　2.1.3 脈寬測量模塊6</p><p>　　2.1.4 占空比測量模塊 7 </p><p>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　4 CPLD/FPGA測頻專用

6、模塊的VHDL程序設(shè)計(jì)9 </p><p>　　4.1 測頻模塊邏輯結(jié)構(gòu) 10</p><p>　　4.2 各模塊功能和工作步驟如下：11 </p><p>　　4.2.1 測頻/測周期的實(shí)現(xiàn)12</p><p>　　4.2.2 控制部件設(shè)計(jì)13 </p><p>　　4.2.3 脈沖寬度測量和占空比測量模塊

7、設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.2.4 電路顯示模塊15</p><p>　　4.2.5 數(shù)碼管的編碼表16</p><p>　　5 單片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì)17 </p><p>　　5.1 AT89C51RC單片機(jī)簡介18 </p><p>　　5.2 軟件調(diào)試系統(tǒng)19 </p>&

8、lt;p>　　5.3具體試驗(yàn)過程20 </p><p>　　5.3.1 第一次測試21</p><p>　　5.3.2 第二次計(jì)算22</p><p>　　5.4 系統(tǒng)調(diào)試的方法23 </p><p>　　5.4.1 調(diào)試的軟/硬件24</p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)的仿真結(jié)果25</p&

9、gt;<p>　　5.5 設(shè)計(jì)技巧分析26 </p><p>　　5.6 系統(tǒng)擴(kuò)展思路27 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　致 謝29 </b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</b><

10、/p><p>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇</p><p>　　根據(jù)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)要求，我們可將整個(gè)電路系統(tǒng)劃分為幾個(gè)模塊，頻率測量模塊，周期測量模塊，脈寬測量模塊，和占空比測量模塊。標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生電路采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的晶鎮(zhèn)作為標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器。如圖所示。各模塊的實(shí)現(xiàn)均有幾種不同的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　圖2.1 頻率計(jì)組成模塊框圖</p>&

11、lt;p>　　2.1.1 頻率測量模塊</p><p>　?、僦苯訙y頻法：把被測頻率信號經(jīng)脈沖整形電路處理后加到閘門的一個(gè)出入端，只有在閘門開通時(shí)間T（以秒計(jì)）內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；設(shè)計(jì)數(shù)器的值為N，則可得到被測信號頻率為f=N/T，經(jīng)分析，本測量在低頻率的相對測量誤差較大，即在低頻段不能滿足本設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　?、诮M合測頻法：這種方法可以在一定程度

12、上彌補(bǔ)方法（1）中的不足，但是難以確定最佳分測點(diǎn)，且電路實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。</p><p>　?、郾额l法：是指把頻率測量范圍分成多個(gè)頻段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)，將經(jīng)整形的低頻信號進(jìn)行倍頻后在進(jìn)行測量，對高頻段則直接進(jìn)行測量。倍頻法較難實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?、艿染葴y頻法：其實(shí)現(xiàn)方式可用圖2.2來說明。圖中，預(yù)置門控信號是寬度為TPR的一個(gè)脈沖，CNT1和CNT2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)

13、器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CNT1的時(shí)鐘輸出端CLK輸入，其頻率為fs，經(jīng)整形后的被測信號從CNT2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，設(shè)其實(shí)際頻率為fx；當(dāng)預(yù)置門控信號為高時(shí)，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器CNT1和CNT2。CNT1和CNT2分別對被測信號（頻率為fs）和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號（頻率為fx）同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號為低時(shí)，隨后而至的被測信號的上升沿將兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間Tpr內(nèi)對被測信號的計(jì)數(shù)值為Nx，

14、對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值為Ns。則下式成立：</p><p>　　fx/Nx=fs/Ns</p><p>　　由此推得：fx=fs*Nx/Ns</p><p>　　圖2.2 等精度測頻法原理框圖</p><p>　　若所測頻率值為fx，其真實(shí)值為fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fs，一次測量中，由于fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是該信號的上跳沿觸發(fā)的，因此在Tpr時(shí)間內(nèi)

15、對fx的計(jì)數(shù)Nx無誤差，在此時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)Ns最多相差一個(gè)脈沖，即fx/Nx=fs/Ns，則下式成立： fxe/Nx=fs/Ns+△et </p><p>　　可分別推得 fx=fs*Nx/Ns fxe=fs*Nx/Ns+△et</p><p>　　根據(jù)相對誤差的公式有：△fxe/fxe=fxe-fx/fxe </p><p>　　經(jīng)整理可得到：

16、△fxe/fxe=△et/Ns</p><p>　　因△et≤1，故△fxe/fxe≤1/Ns Ns=Tpr*fs</p><p>　　根據(jù)以上分析，我們可知等精度測頻法具有三個(gè)特點(diǎn)：1，相對測量誤差與被測頻率的高低無關(guān)；2，增大Tpr或fs可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度；3，測量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)，在預(yù)置門和常規(guī)測頻閘門時(shí)間相同

17、而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變；</p><p>　　經(jīng)過綜合考慮，結(jié)合設(shè)計(jì)需求，選用第④種方案，即用等精度測頻法來實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)頻率測量。</p><p>　　2.1.2 周期測量模塊</p><p>　?、僦苯又芷跍y量法：用被測信號經(jīng)放大整形后形成的方波信號直接控制計(jì)數(shù)門控電路，使主門開放時(shí)間等于信號周期Tx，時(shí)標(biāo)為Ts的脈沖在主門開放時(shí)間進(jìn)

18、入計(jì)數(shù)器。設(shè)在Tx期間計(jì)數(shù)值為N，可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期：</p><p>　　Tx=N*Ts經(jīng)誤差分析，可得結(jié)論：用該測量法測量時(shí)，被測信號的頻率越高，測量誤差越大。</p><p>　?、诘染戎芷跍y量法：該方法在測量電路和測量精度上與等精度測量完</p><p>　　全相同，只是在進(jìn)行計(jì)算時(shí)公式不同，在周期1/T代換頻率f即可，其計(jì)算公式為Tx=T

19、s*Ns/Nx從降低電路的復(fù)雜度及提高精度（特別是高頻）上考慮，本設(shè)計(jì)擬采用方法②測量被測信號的周期。</p><p>　　2.1.3 脈寬測量模塊</p><p>　　在進(jìn)行脈沖寬度測量時(shí)，首先經(jīng)信號處理電路進(jìn)行處理，限制只有信號的50%幅度及其以上部分才能輸入數(shù)字測量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測量計(jì)數(shù)器進(jìn)行測量。</p><p>　　測量電路在檢測

20、到脈沖信號的上升沿時(shí)打開計(jì)數(shù)器，在下降沿是關(guān)閉計(jì)數(shù)器，設(shè)脈沖寬度為Twx，計(jì)算公式為：Twx=Nx/fs。</p><p>　　2.1.4 占空比測量模塊</p><p>　　測一次脈沖信號的脈寬，記錄其值為Twx1，然后將信號反相，再測一次脈寬并記錄起值為Twx2，通過下式計(jì)算占空比：</p><p>　　占空比=Twx1/（Twx1+Twx2）*100%<

21、/p><p>　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　等精度數(shù)字頻率計(jì)涉及到的計(jì)算包括加，減，乘，除，耗用的資源比較大，用一般中小規(guī)模CPLD/FPGA芯片難以實(shí)現(xiàn)。因此，我們選擇單片機(jī)和CPLD/FPGA的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。電路系統(tǒng)原理框圖如圖所示，其中單片機(jī)完成整個(gè)測量電路的測試控制，數(shù)據(jù)處理和顯示輸出；CPLD/FPGA完成各種測試功能；鍵盤信號由AT89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，它從CP

22、LD/FPGA讀回計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，向顯示電路輸出測量結(jié)果；顯示器電路采用七段LED動(dòng)態(tài)顯示，由8個(gè)芯片74LS164分別驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。</p><p>　　圖3.1 等精度數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)的基本工作方式如下：</p><p>　?、貾0是單片機(jī)與FPGA的數(shù)據(jù)傳送通信口，P1口用于鍵盤掃描，實(shí)現(xiàn)各測試功能的轉(zhuǎn)換；P2口為雙向控

23、制口。P3口為LED的串行顯示控制口；系統(tǒng)設(shè)置5個(gè)功能鍵：占空比，脈寬，周期，頻率，和復(fù)位。</p><p>　?、?個(gè)LED數(shù)碼管組成測量數(shù)據(jù)顯示器，另一個(gè)獨(dú)立的數(shù)碼管用于狀態(tài)顯示。</p><p>　　③BCLK 為測頻標(biāo)準(zhǔn)頻率為50MHz 信號輸入端，由晶體震蕩源電路提供。</p><p>　?、艽郎y信號經(jīng)放大整形后輸入CPLD/FPGA 的TCLK。<

24、/p><p>　　4 CPLD/FPGA測頻專用模塊的VHDL程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1測頻模塊邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　利用VHDL程序設(shè)計(jì)的測頻模塊邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示，其中有關(guān)的接口信號規(guī)定如下：</p><p>　　①TP（P2.7）：TF=0 時(shí)等精度測頻；TF=1 時(shí)測脈寬；</p><p>　?、?/p>

25、CLR/TRIG（P2.6）：當(dāng)TF=0 時(shí)系統(tǒng)全清零功能；當(dāng)TF=1 時(shí)CLRTRIG 的上跳沿將啟動(dòng)CNT2 ，進(jìn)行脈寬測試計(jì)數(shù)；</p><p>　?、跡NDD （P2.4）：脈寬計(jì)數(shù)結(jié)束狀態(tài)信號，ENDD=1計(jì)數(shù)結(jié)束；</p><p>　　④CHOICE（P3.2）：自校/測頻選擇，CHOICE=1 測頻；CHOICE=0自校；</p><p>　　⑤STA

26、RT（P2.5）：當(dāng)TF=0 時(shí)，作為預(yù)置門閘，門寬可通過鍵盤由單片機(jī)控制，START=1時(shí)預(yù)置門開；當(dāng)TF=1時(shí)，START有第二功能，此時(shí)，當(dāng)START=0時(shí)測負(fù)脈寬，當(dāng)START=1時(shí)測正脈寬。利用此功能可分別獲得脈寬和占空比數(shù)據(jù)。</p><p>　?、轊EDN（P2.3）：等精度測頻計(jì)數(shù)結(jié)束狀態(tài)信號，EEND=0時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束。</p><p>　?、逽EL[P2.2]（P2.2，P

27、2.1，P2.0）：計(jì)數(shù)值讀出選通控制；當(dāng)SEL[2.0]=“000”，“001”, “010”... “111”時(shí)，將CNT1，CNT2的計(jì)數(shù)值分8次，每次讀出8位，并傳達(dá)到單片機(jī)的P0口。</p><p>　　圖4.1 測頻模塊邏輯圖</p><p>　　4.2 各模塊功能和工作步驟如下：</p><p>　　4.2.1 測頻/測周期的實(shí)現(xiàn)</p>

28、<p>　　被測信號脈沖從CONTRL模塊的FIN端輸入，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CONTRL 的FSD端輸入，CONTRL的CLR是此模塊電路的工作初始化信號輸入端。在進(jìn)行頻率或周期測量時(shí)，其工作步驟如下：</p><p>　?、倭頣F=0，選擇等精度測頻，然后再CONTRL的CLR端加一正脈沖信號以完成測試電路狀態(tài)的初始化。</p><p>　?、谟深A(yù)置門控信號將CONTRL的ST

29、ART端置高電平，預(yù)置門開始定時(shí)，此時(shí)由被測信號的上沿打開計(jì)數(shù)器CNT1進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)使標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進(jìn)入計(jì)數(shù)器CNT2。</p><p>　?、垲A(yù)置門定時(shí)結(jié)束信號把CONTRL的START端置為低電平（由單片機(jī)來完成），在被測信號的下一次脈沖的上沿到來時(shí)，CNT1停止計(jì)數(shù)，同時(shí)關(guān)斷CNT2對FS的計(jì)數(shù)。</p><p>　?、苡?jì)數(shù)結(jié)束后，CONTRL的EEND端將輸出低電平來指示測量計(jì)數(shù)結(jié)

30、束，單片機(jī)得到此信號后，即可利用ADRC（P2.2），ADRB（P2.1），ADRA（P2.0）分別讀回CNT1 和CNT2的計(jì)數(shù)值，并根據(jù)精度測量公式進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出被測信號的頻率或周期值。</p><p>　　4.2.2 控制部件設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖所示，當(dāng)D觸發(fā)器的輸入端START為高電平時(shí)，若FIN端來一個(gè)上升沿，則Q端變?yōu)楦唠娖?，?dǎo)通FIN-CLK1和FSD-CLK2，

31、同時(shí)EEND被置為高電平作為標(biāo)志；當(dāng)D觸發(fā)器的輸入端START為低電平時(shí)，若FIN端輸入一個(gè)脈沖上沿，則FIN-CLK1與FSD-CLK2的信號通道被切斷。</p><p>　　圖4.2 測頻與測周期控制部分電路</p><p><b>　　計(jì)數(shù)部件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖中的計(jì)數(shù)器CNT1/CNT2是32位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過DS

32、EL模塊的控制，單片機(jī)可分4次將其32位數(shù)據(jù)全部讀數(shù)。</p><p>　　4.2.3 脈沖寬度測量和占空比測量模塊設(shè)計(jì) </p><p>　　根據(jù)上述脈寬測量原理，設(shè)計(jì)如圖（CONTRL）所示的電路原理示意圖。該信號的上沿和下沿信號對應(yīng)于未經(jīng)處理時(shí)的被測信號50%幅度時(shí)的上沿和下沿.被測信號從FIN端輸入,CLR為初始化信號<START為工作使能信號.CONTRL2模塊的PUL端與

33、GATE的輸入端PUL連接.</p><p>　　圖4.3 脈沖寬度測量原理圖</p><p>　　測量脈沖寬度的工作步驟如下:</p><p>　　向CONTRL的CLR端送一個(gè)脈沖以便進(jìn)行電路的工作狀態(tài)初始化.</p><p>　　將GATE的CNL端置高電平,表示開始脈沖寬度測量,這時(shí)CNT2的輸入信號為FSD.</p>

34、<p>　　在被測脈沖的上沿到來時(shí),CONTRL2的PUL端輸出高電平,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進(jìn)入計(jì)數(shù)器CNT2.</p><p>　　在被測脈沖的下沿到來時(shí),CONTRL2的PUL端輸出低電平,計(jì)數(shù)器CNT2被關(guān)斷.</p><p>　　由單片機(jī)讀出計(jì)數(shù)器CNT2的結(jié)果,并通過上述測量原理公式計(jì)算出脈沖寬度.</p><p>　　CONTRL2子模塊的主要特點(diǎn)是

35、:電路的設(shè)計(jì)保證了只有CONTRL2被初始化后才能工作,否則PUL輸出始終為零.只有在先檢測到上沿后PUL才為高電平,然后在檢測到下沿時(shí),PUL輸出為低電平:ENDD輸出高電平以便通知單片機(jī)測量計(jì)數(shù)已經(jīng)結(jié)束:如果先檢測到下沿,PUL并無變化;在檢測到上沿并緊接一個(gè)下沿后,CONTRL2不再發(fā)生變化直到下一個(gè)初始化信號到來.占空比的測量方法是通過測量脈沖寬度記錄CNT2的計(jì)數(shù)值N1,然后將輸入信號反相,再測量脈沖寬度,沒得CNT2計(jì)數(shù)值N

36、2則可以計(jì)算出:</p><p>　　占空比=N1/（N1+N2）*100%</p><p>　　4.2.4 電路顯示模塊</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路中，單片機(jī)MCU與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換占用了P0口、P1口和P3口，因此數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示的方式，顯示電路由8個(gè)共陽極七段數(shù)碼管和8片1位串入8位并出的74LS164芯片組成。</p>

37、<p>　　圖4.4 顯示電路圖</p><p>　　這種顯示方式不僅占用單片機(jī)端口少，而且充分利用了單片機(jī)的資源，容易掌握其編碼規(guī)律，簡化了軟件編程，在實(shí)驗(yàn)過程中，也體現(xiàn)出較高的可靠性。數(shù)據(jù)顯示電路如圖4.4所示。</p><p>　　74LS164是一種8位高速串入/并出的移位寄存器,隨著時(shí)鐘信號的高低變化，串行數(shù)據(jù)通過一個(gè)2輸入與門同步的送入，使用獨(dú)立于時(shí)鐘的主控復(fù)位端讓

38、寄存器的輸出端變?yōu)榈碗娖剑⑶也捎眯ぬ鼗Q位電路以達(dá)到高速運(yùn)行的目的。并且還具有以下的特點(diǎn)：①典型的35MHZ移位頻率；②異步主控復(fù)位；③門控串行輸入；④同步數(shù)據(jù)傳輸；⑤采用鉗位二極管限制高速的終端；⑥靜電放電值大于3500V。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，74LS164的連接方式為：74LS164的輸出Q0～Q7分別接LED數(shù)碼管的dp、g、f、e、d、c、b、a，并且Q7連接下一個(gè)74LS164的A，B端

39、，時(shí)鐘CLK連接單片機(jī)的TXD端，第一片芯片的AB端連接單片機(jī)的RXD端，74LS164芯片的主控復(fù)位端接高電平VCC。在這種狀態(tài)下，數(shù)碼管的編碼如下表所示。 </p><p>　　4.2.5 數(shù)碼管的編碼表</p><p>　　5 單片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 AT89C51RC單片機(jī)簡介</p><p>　　

40、AT89C5lRC是在AT89C52基礎(chǔ)上開發(fā)的新型高檔單片機(jī)。</p><p><b>　　它的主要特性是：</b></p><p>　　片內(nèi)含有 32 KB的 Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫周期為 1000次;</p><p>　　片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含512字節(jié)的RAM；</p><p>　　具有可編程32線I/O口（P0

41、，P1，P2和P3口）；</p><p>　　具有3個(gè)可編程定時(shí)器T0，T1和T2；</p><p>　　中斷系統(tǒng)是具有8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、2級中斷優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；</p><p>　　具有一個(gè)全雙工 UART串行口；</p><p>　　低功耗工作方式為空閑模式和掉電模式；</p><p>　　具有雙數(shù)據(jù)指針

42、DPTR0和DPTR1；</p><p>　　具有3級程序鎖定位；</p><p>　　具有硬件看門狗定時(shí)器WDT；</p><p>　　AT89C51RC工作電源為4.0～5.5V（AT89LV51RC為2.7～5.5V）；</p><p>　　AT89C51RC最高工作頻率為33MHZ（AT89LV51RC為12MHZ）；</p&g

43、t;<p>　　具有斷電標(biāo)志POF．</p><p>　　與AT89C52相比，AT89C5lRC具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　程序存儲(chǔ)器由 8 KB增加到32 KB；</p><p>　　片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由256字節(jié)增加到512字節(jié)；</p><p>　　數(shù)據(jù)指針由1個(gè)增加到2個(gè)；</p><p>

44、　　增加了看門狗定時(shí)器，CPU在執(zhí)行程序過程中，由于瞬時(shí)的干擾使程序陷入死循環(huán)環(huán)狀態(tài)，WDT（Watchdog Timer）是使CPU擺脫這種困境而自動(dòng)恢復(fù)的一種方法；</p><p>　　退出掉電方式由單純硬件復(fù)位方式增加到硬件復(fù)位和中斷兩種方式；</p><p>　　新增加了斷電標(biāo)志POF．</p><p>　　89C51RC的內(nèi)部框圖</p>&

45、lt;p>　　圖5.1 89C51RC的內(nèi)部框圖</p><p><b>　　引腳排列及功能</b></p><p>　　AT89C51RC有3種封裝形式：PDIP．PLCC和TQFP．PDIP封裝的引腳排列如圖所示。</p><p>　　圖5.2 AT89C51RC引腳圖</p><p><b>　

46、?。薄。桑峡诰€</b></p><p>　　P0口——8位、漏極開路的雙向 1／O口。</p><p>　　當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器及外擴(kuò) I／O口時(shí)，P0口作為低字節(jié)地址／數(shù)據(jù)復(fù)用線。在編程時(shí)，P0口可用于接收指令代碼宇節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，P0口可輸出指令字節(jié)（這時(shí)需要加外部上拉電阻）。</p><p>　　P0口也可作通用I/O口使用．但需加上拉電阻．變?yōu)闇?zhǔn)

47、雙向口。當(dāng)作為普通輸入時(shí)，應(yīng)將 輸出鎖存器置1． PO口可驅(qū)動(dòng)8個(gè) TTL負(fù)載．</p><p>　　P1口——8位、準(zhǔn)雙向I／O口，具有內(nèi)部上拉電阻。</p><p>　　P1口是為用戶準(zhǔn)備的 1／O雙向口。在編程和校驗(yàn)時(shí)，可用做輸入低8位地址。用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置1． P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>　　P1.0 P1.1替代功能<

48、/p><p>　　P2口——8位、準(zhǔn)雙向 1／O口．具有內(nèi)部上位電阻．</p><p>　　當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器或外擴(kuò)1／O口時(shí)．P2口輸出高8位地址。在編程／校驗(yàn)時(shí)．P2口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。</p><p>　　P2口也可作普通I／O口使用。用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置1． P2口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>　　P3口—

49、—8位、準(zhǔn)雙向 1／O口，具有內(nèi)部上拉電阻。 </p><p>　　P3口可作為普通1／O口。用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置 1．在編程／校驗(yàn)時(shí)．P3口接收某些控制信號。它可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。</p><p>　　P3口還提供各種替代功能。</p><p><b>　　P3口替代功能</b></p><p><

50、;b>　　2．控制信號線</b></p><p>　　RST——復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，在RST腳施加兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。</p><p>　　EA／VPP——外部程序存惜器訪問允許信號EA（External Access Enable）。</p><p>　　當(dāng)EA信號接地時(shí)，對ROM的

51、讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器，地址為0000H～FFFFH；當(dāng)EA接地時(shí)，對ROM的讀操作從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　在編程時(shí)，該引腳可接編程電壓（AT89C51的VPP為5V或12V；AT89LV51的VPP為12 V）。在編程校驗(yàn)時(shí)，該引腳可接VCC。</p><p>　　PSEN——片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號用PSEN(Program Store

52、 Enable)，低電平有效。</p><p>　　在片外程序存儲(chǔ)器取指期間，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送至 PO口（數(shù)據(jù)總線）；在訪問外部RAM時(shí)，PSEN無效。</p><p>　　AIE/PROG——低字節(jié)地址鎖存信號 AlE（Address latch Enable）。</p><p>　　在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，AlE的下降沿將PO口輸出的低8位地址鎖存在

53、外接的地址鎖存器中，以實(shí)現(xiàn)低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外，ALE端連續(xù)輸出正脈沖．頻率為晶振頻率的1／6，可用做外部定時(shí)脈沖使用。但要注意，每次訪問外RAM時(shí)要丟失一個(gè)ALE脈沖。在編程期間，該引腳輸入編程脈沖（PROG）。</p><p><b>　　3．電原線</b></p><p>　　VCC——電源電壓輸入。</p><p><

54、b>　　GND——接地。</b></p><p><b>　　4.外部晶振引線</b></p><p>　　XTAL1——片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生線路的輸入端。使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。</p><p>　　XTAL2——片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，外接石英晶體 和微調(diào)電容。&l

55、t;/p><p>　　當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，引腳XTAL1接收外振蕩器信號，XTAIL2懸空。</p><p>　　AT89C5lRC有兩種低功耗節(jié)電模式：空閑模式和掉電模式。</p><p><b>　　1．空閑模式</b></p><p>　　應(yīng)用軟件使PCON中的IDL＝l，系統(tǒng)便可進(jìn)入空閑模式．由于PCON不可位尋址，

56、進(jìn)入空閑模式可采用如下指令：</p><p>　　MOV A，PCON</p><p>　　SETB ACC，0 ；IDL=l</p><p>　　MOV PCON，A</p><p>　　系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式后，CPU處于休眠狀態(tài)．振蕩器和片內(nèi)外圍單元（中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、I／O口、串行口）仍然有效．片內(nèi)RAM和SFR中的內(nèi)容保留不變。&

57、lt;/p><p>　　退出空閑模式有兩種方法：任何一個(gè)有效的中斷和便件復(fù)位．退出空閑模式后，IDL由片內(nèi)硬件自動(dòng)清0。</p><p><b>　　2．掉電模式</b></p><p>　　執(zhí)行一條指令，使PD=1，系統(tǒng)便進(jìn)入掉電模式。進(jìn)入掉電模式后，振蕩器停止工作．掉電模式下．片內(nèi)RAM和SPR中的內(nèi)容保持不變．</p><

58、p>　　退出掉電模式有兩種方法：硬件復(fù)位和允許的外部低電平中斷（INT0和INT1）。硬件復(fù)位過程不改變片內(nèi)RAM的內(nèi)容，但要重新設(shè)量SFR的內(nèi)容．僅當(dāng)VCC恢復(fù)到正常操作值，且振蕩器達(dá)到穩(wěn)定后，復(fù)位有效．</p><p>　　復(fù)位退出掉電模式時(shí)，系統(tǒng)首先從斷點(diǎn)處恢復(fù)執(zhí)行程序，直到復(fù)位控制邏輯有效。這個(gè)過程長達(dá)2個(gè)機(jī)器周期。在復(fù)位有效之前，片內(nèi)有硬件控制電路防止寫入片內(nèi)RAM，即在復(fù)位過渡期間片內(nèi)RAM內(nèi)容

59、受到保護(hù)，但并不保護(hù)SFR的內(nèi)容。因此，在進(jìn)入掉電模式指令（使PD=l的指令）的后面，不要緊隨寫入1／O端口或?qū)懭肫釸AM的指令。</p><p>　　主要單片機(jī)控制與運(yùn)算程序流程圖：</p><p>　　圖5.3 測周期子程序流程圖</p><p>　　圖5.4 主程序流程圖</p><p>　　圖5.5 顯示子程序流程圖</

60、p><p>　　圖5.6 頻率，周期計(jì)數(shù)子程序流程圖</p><p>　　圖5.7 測頻率子程序流程圖</p><p>　　圖5.8 脈寬，占空比計(jì)數(shù)子程序流程圖</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試系統(tǒng)</p><p>　　支持CPLD和FPGA設(shè)計(jì)的軟件有很多種，這里我使用由ALTERA公司開發(fā)的MAX+PLUSI

61、I工具軟件，該軟件方便易用，功能全面，能滿足用戶各種各樣的設(shè)計(jì)需要，概括起來MAX+PLUSII開發(fā)系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。</p><p><b>　　1．結(jié)構(gòu)無關(guān) </b></p><p>　　MAX+PLUSII支持ALTERA公司的CLASSIC，ACEX1K，MAX3000，MAX5000，MAX7000，MAX9000，F(xiàn)LEX6000，F(xiàn)LEX8000

62、和FLEX10K等系列可編程邏輯器件，門數(shù)為600～250 000門，提供了業(yè)界真正與結(jié)構(gòu)無關(guān)的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境。MAX+PLUSII的編譯器還提供了強(qiáng)大的邏輯綜合與優(yōu)化功能以減輕用戶的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。</p><p>　　2．集成化的界面 </p><p>　　MAX+PLUSII提供了設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)處理和仿真校驗(yàn)等全集成化的開發(fā)工具，可以加快動(dòng)態(tài)調(diào)試，縮短開發(fā)周期。</p>

63、<p>　　3．模塊組合式設(shè)計(jì)工具 </p><p>　　設(shè)計(jì)者可從各種設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)處理和設(shè)計(jì)校驗(yàn)選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，從而使設(shè)計(jì)環(huán)境用戶化。需要時(shí)，還可以保留初始的工具，并增添新的性能。由于MAX+PLUSII支持各種器件系列，設(shè)計(jì)者用此工具即可支持新結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4．支持多種HDL語言 </p><p>　　MAX+PLUSII支

64、持多種流行的HDL描述語言，包括VHDL，VERILOG HDL和AHDL。</p><p>　　5．良好的開放性和數(shù)據(jù)互換性 </p><p>　　MAX+PLUSII可與其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)輸入，綜合與校驗(yàn)工具連接。它與EDA工具的接口符合EDIF200和209標(biāo)準(zhǔn)，并提供了參數(shù)化的模塊庫（LPM）。設(shè)計(jì)者可以使用ALTERA或其他標(biāo)準(zhǔn)的EDA設(shè)計(jì)輸入工具去建立邏輯設(shè)計(jì)，使用MAX+

65、PLUSII COMPLIER對設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯和綜合，然后進(jìn)行仿真，也可使用其他EDA工具來仿真。</p><p>　　6．基于MAX+PLUSII的設(shè)計(jì)</p><p>　　使用MAX+PLUSII軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，主要包括以下幾個(gè)步驟：</p><p>　　設(shè)計(jì)輸入：可以采用原理圖輸入，HDL語言描述，EDIF網(wǎng)表輸入及波形輸入等幾種方式。</p>

66、<p>　　編譯：先根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定編譯參數(shù)和編譯策略，如器件的選擇，邏輯綜合方式的選擇等；然后根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和策略對設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行網(wǎng)表提取，邏輯綜合和器件適配，并產(chǎn)生報(bào)告文件，延時(shí)信息文件及編程文件，供分析，仿真和編程使用。</p><p>　　仿真：仿真包括功能仿真，時(shí)序仿真和定時(shí)分析，可以利用軟件的仿真功能來驗(yàn)證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的邏輯功能是否正確。</p><p>　　編程與驗(yàn)證：

67、用經(jīng)過仿真確認(rèn)后的編程文件通過編程電纜配置PLD，加入實(shí)際激勵(lì)，檢查是否完成預(yù)定功能。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需要重新回到設(shè)計(jì)輸入階段，改正錯(cuò)誤或調(diào)整電路后重復(fù)上述過程。</p><p><b>　　5.3具體試驗(yàn)過程</b></p><p>　　5.3.1 第一次測試 </p><

68、p>　　根據(jù)試驗(yàn)箱的操作，分別用按鈕D12控制測頻/占空比的轉(zhuǎn)換，用D15控制清零，用D16 控制開始測量。最初的軟件調(diào)試工程，分別通過手動(dòng)按鈕從0到7讀出顯示上的兩位十六進(jìn)制數(shù)，從零到三所讀出的4個(gè)十六進(jìn)制數(shù)組合在一起是Ns，四到七讀出的數(shù)組合在一起時(shí)Nx，分別把組合的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算，得到所測頻率。 </p><p>　　根據(jù)Fx=Fs*Nx/Ns，得到所測數(shù)據(jù)。</p>

69、;<p>　　Fs=12mhz，f測=8hz。</p><p>　　Fs=12mhz,f測=4hz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=64hz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=12mhz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=750khz</p><p>　　Fs=12mhz,

70、f測=6mhz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=1.5mhz</p><p>　　5.3.2 第二次計(jì)算</p><p>　　根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，我們可以知道在實(shí)驗(yàn)箱里的程序是可行的。但是需要用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)我們的計(jì)算過程和控制。所以我們進(jìn)行了單片機(jī)程序的編寫，希望通過按健控制直接從數(shù)碼管上讀出數(shù)據(jù)，但因?yàn)榫帉懘颐?，沒能設(shè)計(jì)小數(shù)點(diǎn)后面的</p>

71、<p>　　顯示，對于小頻率的測試，誤差就相當(dāng)大了。下面是再次測試的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　有上面的測試結(jié)果可見，測試頻率可以高達(dá)50mhz，看來我們的程序是可行的，對于粗略的測試還是比較準(zhǔn)確的。但是因?yàn)闆]有小數(shù)顯示，對于頻率較低的測試，誤差就大了。所以有待改進(jìn)。</p><p>　　5.4 系統(tǒng)調(diào)試的方法</p><p>　　本系統(tǒng)既含有FPGA

72、自編程硬件設(shè)計(jì)電路，又含有單片機(jī)控制電路，整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此我們采用自底向上的調(diào)試方法，也就是先進(jìn)行各個(gè)單元電路的軟件仿真和硬件調(diào)試，在各個(gè)單元電路調(diào)試好后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最后進(jìn)行硬件的編程固化及系統(tǒng)的組裝。</p><p>　　5.4.1 調(diào)試的軟/硬件</p><p>　　(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)軟件：MAX+plus Ⅱ 10.0，偉福6000(WAVE 6000 for windo

73、ws)。(2) 單片機(jī)及FPGA/CPLD調(diào)試設(shè)備：PIV計(jì)算機(jī)，偉福E6000L單片機(jī)仿真器及POD—8X5XP仿真頭，GW48-CK EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)及EPF10K20TC144-4FPGA適配板，GWDVPB電子設(shè)計(jì)開發(fā)板單片機(jī)最小系統(tǒng)，煒煌WH-500B程序編寫加密器，GDS-820S數(shù)字存儲(chǔ)示波器。</p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)的仿真結(jié)果</p><p>　　FPGA測

74、試模塊中頻率/周期測量仿真圖如下圖所示。</p><p>　　5.4.3 系統(tǒng)的硬件驗(yàn)證 </p><p><b>　　①單元電路的調(diào)試 </b></p><p>　　FPGA/CPLD測頻專用電路的調(diào)試：使用MAX+plus Ⅱ 10.0，計(jì)算機(jī)，GW48-CK EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)等軟件和設(shè)備，對FPGA/CPLD測控電路進(jìn)行VHDL程序的

75、調(diào)試，有關(guān)仿真以及編程下載，硬件測試等。</p><p><b>　?、诮y(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試</b></p><p>　　在各個(gè)單元電路調(diào)試好后即可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。</p><p><b>　?、劢y(tǒng)的硬件驗(yàn)證</b></p><p>　　系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試成功后，可將單片機(jī)程序通過編程器固化到單片機(jī)中并插入EDA實(shí)

76、驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)中的單片機(jī)插座上，將VHDL設(shè)計(jì)經(jīng)過綜合適配后的網(wǎng)表對CPLD/FPGA進(jìn)行編程下載，輸入相關(guān)的信號，并進(jìn)行有關(guān)性能指標(biāo)的測試，直到滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為止。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的具體硬件驗(yàn)證說明如下：</p><p>　　本系統(tǒng)的顯示電路共設(shè)置了8個(gè)數(shù)碼管，前7個(gè)為數(shù)字顯示，另一個(gè)是測量狀態(tài)顯示。</p><p>　　(1) 當(dāng)顯示為P. 時(shí)，是復(fù)

77、位狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼管全熄。</p><p>　　(2) 當(dāng)顯示為F時(shí)，是頻率測量狀態(tài)，單位Hz，如果前面出現(xiàn)兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)，則第二個(gè)小數(shù)點(diǎn)表示MHz。</p><p>　　(3) 當(dāng)顯示為P時(shí)，是周期測量狀態(tài)，單位μs。</p><p>　　(4) 當(dāng)顯示為A時(shí)，是脈寬測量狀態(tài)，單位μs。</p><p>　　(5) 當(dāng)顯示為B時(shí)，是占空比測量狀態(tài)

78、，單位%。 </p><p>　　5.5 設(shè)計(jì)技巧分析</p><p>　　(1) 在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方面，充分利用單片機(jī)和FPGA/CPLD各自的優(yōu)勢，將測控的主體分配給FPGA/CPLD，既可滿足頻測對速度方面的要求和多I/O口的要求，同時(shí)利用單片機(jī)具有良好的人機(jī)接口和控制運(yùn)算的功能，可以較簡單地實(shí)現(xiàn)鍵盤和顯示控制以及數(shù)據(jù)處理運(yùn)算。</p><p>　　(2) 在頻

79、率測量方面，由于采用了等精度測頻法，使該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：① 相對測量誤差與被測頻率的高低無關(guān)；② 增大Tpr或fs可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度；③ 測量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)，預(yù)置門和常規(guī)測頻閘門時(shí)間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變。</p><p>　　(3) 在顯示方面，首先采用串行動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)約了I/O口，簡化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。</

80、p><p>　　5.6系統(tǒng)擴(kuò)展思路 </p><p>　　(1) 設(shè)計(jì)并制作系統(tǒng)工作的外圍電路：系統(tǒng)用方波信號源、直流工作電源。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試成功后，可將單片機(jī)程序通過編程器固化到單片機(jī)中，將VHDL設(shè)計(jì)經(jīng)過綜合適配后的網(wǎng)表對CPLD/FPGA進(jìn)行編程下載，將整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)制作印刷電路板</p><p><

81、;b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　譚會(huì)生，瞿遂春．EDA 技術(shù)綜合應(yīng)用實(shí)例與分析[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004．</p><p>　　徐志軍，徐光輝．CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．</p><p>　　Altera Corporation Altera Digital Li

82、brary[M]. Altera,2002．</p><p>　　王金明，楊吉斌．?dāng)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002．</p><p>　　Xilinx Inc.Data Book 2001.Xilinx[M],2001．</p><p>　　譚會(huì)生．EDA 技術(shù)及應(yīng)用[M]．株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，5．</p>

83、<p>　　http://www.21IC.com\.....\ 21IC嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展[M]．2003. </p><p>　　[8] 譚會(huì)生，張昌凡．EDA技術(shù)及應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001．</p><p>　　[9] 張凱，林偉．VHDL實(shí)例剖析[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2004．</p><p>　　[1

84、0] 曾繁態(tài)，陳美金VHDL程序設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次論文的過程中，才感覺到對知識掌握的欠缺，需要認(rèn)真，細(xì)致，融會(huì)貫通才行，包括對word的使用。在這期間，非常感謝輔導(dǎo)老師范老師對我們耐心的指導(dǎo)，不厭其煩的給我們解答，利用休息時(shí)間給我們做論題。找資料給我們分析軟件以及硬件方面

85、的東西。在范老師的輔導(dǎo)下，我們順利地完成了此次論文。同時(shí)也要感謝王忠鋒老師為我們答難解疑。</p><p>　　同時(shí)也要感謝同組同學(xué)對我的幫助，在他們的協(xié)作下完成了顯示電路版的制作。在電子產(chǎn)品的制作中，每一項(xiàng)工作的完成都是大家齊心協(xié)力的結(jié)果，再共同完成的過程中，我們也體會(huì)到了互助的快樂。在此過程中也鍛煉了我們收集資料，處理資料，篩選資料的能力。</p><p>　　當(dāng)然也要感謝閱讀論文的各