基于TMS320F2812的數字頻率計的設計
單片機與嵌入式系統應用 合肥工業大學 張巧云 陶維青
摘要： 為了適應現代技術發展的要求，新型的頻率計中都使用了單片機進行數據處理，這樣，由軟件代替了復雜的硬件電路，使儀器的結構簡化，功能增強。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的片內外設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數，電路實現多靠軟件設置，運算簡單，實時性好，測量精度高。
Abstract：
Key words :
頻率是指某周期現象在單位時間內所重復的次數，它與時間在數學上互為倒數。時間頻率的精確測量促進了科學的發展，而科學的發展又反過來把時間頻率的測量提高到新的高度。特別在最近的幾十年里，頻率和時間的測量精度已達到非常高的水平，即已遠遠超過其他所有物理量的測量精度。它主要的應用領域有導航和通信兩大類，以及空間技術、工業生產、交通、科學研究及天文學與計量學方面。
為了適應現代技術發展的要求，新型的頻率計中都使用了單片機進行數據處理，這樣，由軟件代替了復雜的硬件電路，使儀器的結構簡化，功能增強。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的片內外設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數，電路實現多靠軟件設置，運算簡單，實時性好，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準信號分別輸入到兩個計數器，其實際閘門時間不是固定值，而是被測信號周期的整數倍，因此消除了對被測信號計數時產生的±1 Hz的計數誤差，其精度僅與閘門時間和標準頻率有關。因此本設計采用多周期測量法作為具體的實施方案。
2 系統的設計
2．1 系統的硬件設計
硬件系統總體框圖如圖1所示。被測信號首先經過限幅放大、直流偏置、整形電路，變換為0～3．3 V的方波信號，然后再進入DSP，利用其定時器和捕獲單元實現頻率的測量。測量完成后，一方面可由鍵盤設置相關參數通過LCD顯示測量結果，另一方面可通過RS一232傳送給PC機顯示測量結果。另外，為了提高系統的可靠性，增加了一個自我校準電路，即在測量之前，可通過軟件設置產生1 MHz的標準脈沖信號，送到信號調理模塊的輸入端，檢測測量結果是否正確，從而達到自我校準的目的。
本設計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、高精度的工業控制DSP芯片。它運算速度快，工作時鐘頻率達150 MHz，指令周期可以達到6．67 ns以內，低功耗(核心電壓1．8 V，I／O口電壓3．3 V)。它采用哈佛總線結構，具有強大的操作能力；外圍設備包括3個32位的CPU定時器，16通道的12位A／D轉換器，串行外圍接口(SPI)，2個串行通信接口(SCI)等。其片內外設時間管理器含有2個模塊(EVA和EVB)，每個模塊都包括2個通用定時器，3個全比較／PWM單元，3個捕獲單元和 1個正交編碼脈沖電路。本設計主要利用EVA中的2個通用定時器(T1和T2)，2個捕獲單元(CAPl和CAP3)，EVB中的1個通用定時器 (T3)。具體測量原理如圖2所示。
首先設定T3比較值(預置閘門時間為0．012 8 s)，設定T1的比較值為1，使能CAPl。然后使能T1，當其接收到一個整周期的被測信號時即可產生比較輸出，同時產生比較中斷，讀取CAPl的棧值 (即T2的初值t2_1)，清T1、T2上溢次數，使能CAP3和T3。最后當T3定時結束，借助于D觸發器在被測信號的下一個上升沿到來時，切斷T1的比較輸出，同時PDPINTA將被置位，然后記錄T1和T2的上溢次數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)。由所得數據計算頻率，禁止T1、T2、CAPl和CAP3。頻率計算公式為：
注意：CAPl的捕獲時基為T2，CAP3的捕獲時基為T1，標準頻率信號為150 MHz時鐘頻率的8分頻。
2．2 系統的軟件設計
主監控程序是整個軟件系統的總調度程序，它控制著程序的有序運行。系統在上電或復位后，主程序先調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生的隨機誤差，所測結果均取平均值。利用CPU_Timer0產生一定的時間段(O．6s)。該時段結束后(CPU_TimerO中斷標志位置位)，即對該段時間段內記錄的測量結果求均值。此時，如果查詢到上位機發出接收請求，則傳送相應數據至PC顯示。然，后，重新初始化定時器和捕獲單元，進入下一輪測量。主監控程序流程如圖3所示。
測頻的部分源代碼如下：
3 誤差分析及測試結果
3．1 量化誤差
設被測信號的頻率為Fx，其真實值為Fxe，標準頻率為Fs，在一次測量中，預置閘門時間為T′，Tpr為實際閘門時間，被測信號計數值為Nx，標準頻率信號計數值為Ns。
Fx計數的起停時間是由該信號的上升沿觸發的，在T′時間內對Fx的計數Nx無誤差，對Fs的計數Ns假設相差N個脈沖，即|△et|≤n。
由于Fx／Nx=Fs／Ns，Fxe／Nx=Fs／(Ns+△et)，根據相對誤差公式有：
因此可以得到以下結論：
①相對測量誤差與被測信號的頻率無關。
②增大T′或者提高Fs，可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度。本設計方案中，預置閘門時間限定了最低的測量精度。
③誤差分析中的n，主要由硬件切斷T1PWM所需要的時間決定，為一個小整型常數。若預置閘門時間Tpr=O．012 8 s，則
即使n取不為l的小整型常數，仍可以使得精度維持在十萬分之一以內，并且可以隨著預置閘門時間的適當延長，得到進一步的提高。
3．2 測量的原理誤差和標準頻率誤差
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束時，由D觸發器產生低電平跳變來切斷T1PWM，從而使其產生由CAPl和CAP3同時捕獲上升沿的跳變。這段時間主要是由D觸發器的反應時間決定。在測量過程中，針對這部分誤差，可以通過適當增加預置閘門的時間來克服，同時考慮到DSP 內部高速的時鐘頻率，這并不會明顯地增加測量耗時，但卻達到了弱化此誤差的影響、增加測量精度的目的。
標準頻率誤差為△Fs／Fs。因為晶體的穩定度很高，標準頻率誤差可以進行校準，并且已將DSP內部的高速時鐘頻率進行了適當的分頻，所以相對于量化誤差，校準后的標準頻率誤差可以忽略不計。
3．3 測試結果
用函數信號發生器(型號為Tektronix AFG3010；精度為O．000 1％)產生方波信號，用設計的頻率計測出頻率，求出誤差。本測頻系統的測量精度可達到O．01％。根據誤差分析可知，系統的最大誤差發生在預置閘門時間正好填充了整數個被測信號時，即頻率為78．125 Hz或者其整數倍時，所以選擇這些點進行測試。實際的測試數據如表1所列。
4 結論
本文著重分析了數字頻率計的設計方案、硬件組成，以及采用Modbus協議實現上位機與下位機通信的軟件設計。特點有：
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數時產生的±1個計數誤差，其精度僅與閘門時間和標準頻率有關，克服了傳統的測頻法或測周法的不足，實現了寬量程、高精度的頻率測量。同時由于預置閘門時間的存在，保證了當被測頻率在各頻段之間來回切換時，系統反應靈敏，跟隨性能好。
②在系統的總體設計方面，充分利用了F2812 DSP的內部資源，即使用事件管理器中的定時器、捕獲單元完成頻率的測量；使用PWM的輸出實現自檢電路的設計；使用串口通信模塊完成上位機和下位機的通信。在測量結果的顯示方面利用RS232，通信協議采用Modbus協議，實現下位機和上位機的通信，將測量結果在上位機中顯示出來。
本文只探討了如何對單路信號進行頻率測量，而對于多路信號，可先使其經過一個與門，通過軟件判斷哪一路信號，然后再運用本設計方法進行測量。針對這種情況所產生的誤差問題還需作進一步的探討，本文只給出初步的探索。
參考文獻
1. 周文水 相位寬帶測頻原理的研究與實現 [學位論文]
2. 徐科軍.李國麗 電氣測試基礎 2002
3. 張志文.田英峰 基于 DSP的高精度頻率測量系統的研究 [期刊論文] -西安工業大學學報2007(2)
4. Texas Instruments Incorporated TMS320F28x DSP Family User's Guide
5. 梁文海 用單片機實現雙計數器多周期同步法頻率測量 [期刊論文] -現代電子技術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] -微計算機信息2006(5)
此內容為AET網站原創，未經授權禁止轉載。