基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計設(shè)計與實踐

劉剛

摘要：伴隨著社會發(fā)展，我國數(shù)字電化信息產(chǎn)業(yè)也得到了重要的發(fā)展契機(jī)，數(shù)字信息信號發(fā)送和接受頻率的測定在有關(guān)科學(xué)理論研究和生產(chǎn)實踐應(yīng)用兩個方面的作用越來越突出。普通的頻率計是以利用邏輯電路和時序電路設(shè)計構(gòu)成的，在生產(chǎn)實踐應(yīng)用方面有運行速度慢和測頻范圍狹窄兩個明顯的缺陷，顯然以及無法滿足于當(dāng)今社會各領(lǐng)域生產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展需要。那么，該文就基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計的設(shè)計與實踐展開討論，從該頻率計的設(shè)計原理、設(shè)計方案重點分析。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)字頻率計；設(shè)計；實踐

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2091-02

基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計是現(xiàn)代數(shù)字化電路中一種較為典型的儀表設(shè)備，由于先前很長一段時間內(nèi)頻率計在數(shù)字電路中的聯(lián)機(jī)形式都比較繁雜且在很多情況下會對系統(tǒng)產(chǎn)生延遲問題，由此在形成可編程邏輯器件并應(yīng)用的過程當(dāng)中數(shù)字電路整個系統(tǒng)得到了很大程度的簡化，整體性能穩(wěn)步提升。數(shù)字頻率計以采用十進(jìn)制數(shù)組為基礎(chǔ)來顯示所測數(shù)字信號頻率的一種儀表設(shè)備，可測定數(shù)字信號的正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號等，同時對這些數(shù)字信號的波動周期也可測定。如經(jīng)優(yōu)化改裝，數(shù)字式脈寬測量儀可測定其脈沖寬度、數(shù)字電容測量儀可測定電容。因此，數(shù)字頻率儀在有關(guān)物理量測定方面的應(yīng)用范圍極廣。

1 數(shù)字頻率計設(shè)計原理及方法

1.1 原理

通常，測定物理量頻率問題的軟件都是基于對電路系統(tǒng)設(shè)計而得到的成果。該文討論基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計設(shè)計以采取脈沖定時測頻方法為例，遵照基本的軟件設(shè)計原理完成軟件實現(xiàn)來進(jìn)行相關(guān)測頻處理。

分析數(shù)字頻率計的設(shè)計原理實質(zhì)上是關(guān)于物理量在單位時間之內(nèi)發(fā)生周期性的測定，數(shù)字頻率計測定物理量可省去對實測之前的一些預(yù)測手段，一定程度上節(jié)約了劃分頻率的時間，由此規(guī)避了傳統(tǒng)方法對高頻段測定采取測頻模式、低頻段采取周期模式而產(chǎn)生測頻換段麻煩的缺陷。一般情況下，要測定物理量每秒需測數(shù)字信號的脈沖數(shù)量，我們把閘門時間稱之為1秒，但實際的閘門時間既可以大于1秒也可以小于1秒。閘門時間越長久則說明我們所取得的頻率結(jié)構(gòu)越精確，而閘門時間越長則有說明在每測定物理量的一次頻率結(jié)果之間的間隔時間就會越長，反則如是。

基于單片機(jī)作為設(shè)計核心，以單片機(jī)擁有計數(shù)定時輔助功能來實現(xiàn)對物理量頻率的測定，最后由單片機(jī)的動態(tài)掃描將所得結(jié)果的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至數(shù)字顯示電路當(dāng)中。其基本的設(shè)計原理框圖如圖1。

以上基本設(shè)計原理圖就是一單片機(jī)為設(shè)計核心，被測物理量信號首先進(jìn)入到信號放大電路中進(jìn)行放大處理，然后進(jìn)入到波形信號整形電路予以整形處理，將被測正弦波或三角波物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ问?，最后由單片機(jī)的計數(shù)器和定時器對被測物理量信號頻率進(jìn)行計數(shù)并以預(yù)先已編好程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)自動調(diào)制測定的量程顯示出測定頻率的數(shù)據(jù)結(jié)果于數(shù)字顯示電路當(dāng)中。據(jù)此原理分析，該系統(tǒng)的設(shè)計核心基礎(chǔ)為單片機(jī)，系統(tǒng)所應(yīng)用的元件較少且電路設(shè)計簡便，最后的調(diào)制過程也僅僅是將程序設(shè)定編程稍作修改即可實現(xiàn)對不同頻率范圍內(nèi)物理信號頻率測定量程和輸出顯示的過程。

1.2 方法

數(shù)字頻率計的測定方法很多，主要含模擬法和數(shù)字法兩種。就本文單片機(jī)數(shù)字頻率計而言，其所要求的設(shè)計條件和環(huán)境筆者主要就以數(shù)字法中電子計數(shù)式的若干測頻方法作討論。電子計數(shù)式方法主要包括脈沖數(shù)定時測頻法（M法）、脈沖周期測頻法（T法）、脈沖數(shù)倍頻測頻法（AM法）、脈沖數(shù)分頻測頻法（AT法），脈沖平均周期測頻法（M/T法）和多周期同步測頻法等。

1）脈沖數(shù)定時測頻法（M法）：于記錄時間（Tc）內(nèi)確定被測物理信號的脈沖數(shù)量（Mx），則頻率值（Fx）為Fx=Mx/Tc。

2）脈沖周期測頻法（T法）：于物理信號在一個運行周期（Tx）以內(nèi)，記錄頻率信號的變化次數(shù)（Mo），則頻率值（Fx）為Fx=Mo/Tx。

3）脈沖數(shù)倍頻測頻法（AM法）：本方法是為解決脈沖數(shù)定時測頻法（M法）在測定低頻物理量精度低問題中總結(jié)出來的。利用A倍頻將被測物流信號頻率放大至原來的A倍，則頻率值（Tx）為Fx=Mx/ATo。

4）脈沖數(shù)分頻測頻法（AT法）：本方法是為解決脈沖周期測頻法（T法）在測定高頻物理量精度問題中總結(jié)出來的。利用A分頻將被測物理信號的周期延長至原來的A倍，則頻率值（Fx）為Fx=AMo/Tx。

5）脈沖平均周期測頻法（M/T法）：本方法以Tc表示閘門時間，利用兩個計數(shù)儀表分開記錄被測物理信號的脈沖數(shù)量（Mx）和標(biāo)準(zhǔn)物理信號的脈沖數(shù)量（Mo），則頻率值（Fx）為Fx=FoMx/Mo。

6）多周期同步測頻法：本方法同樣以Tc表示閘門時間，以Td表示同步門控時間，利用計數(shù)儀表實現(xiàn)對物理信號頻率值的測定，頻率值（Fx）為Fx=FoMx/Mo。

2 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計設(shè)計的應(yīng)用實踐

2.1簡介

基于單片機(jī)PT89C51作為設(shè)計核心的數(shù)字頻率計，輔以數(shù)字譯碼和顯示電路單元構(gòu)成整個工作系統(tǒng)。對不同頻率范圍物理信號進(jìn)行頻率測定，首先是將被測物理信號輸入至單片機(jī)，利用單片機(jī)的計數(shù)功能和計時功能來控制頻率計數(shù)，進(jìn)而將計數(shù)結(jié)果輸送至譯碼器74- LS145與移位寄存器74LS164，最終由驅(qū)動LED數(shù)碼顯像管來顯示頻率值，其設(shè)計測頻原理如圖2所示。

2.2選擇元件

1）單片機(jī)。單片機(jī)選擇AP89C51型號是因為其具有更為靈活和便于調(diào)試編程程序且引腳更多。AP89C51是一種集合于CPU、RAM、ROM、定時器、計數(shù)器以及多功能I/O端口等多種元件，擁有40種引腳、32種外部輸入/輸出I/O端口、2種外中斷口、2個16進(jìn)制可編制程序語音的定時計數(shù)器和2個全雙工串行通訊端口。單片機(jī)的片內(nèi)同時也集成了內(nèi)容為4KB的FLASHPEROM以存儲相關(guān)應(yīng)用程序，這類FLASH存儲程序除了可進(jìn)行一般離線編程響應(yīng)以外，還可對系統(tǒng)中在線編程加以響應(yīng)，同時又為系統(tǒng)編程進(jìn)行可靠的三級加密保護(hù)。AT89C5單片機(jī)還擁有比對MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)更為利好的運行效率，其金振頻率可達(dá)24兆赫茲，運作周期則為500毫秒。系統(tǒng)在實際設(shè)計當(dāng)中，具體是將P1.0端口和具有存儲功能型號為74LS164的寄存器A、B兩端口加以串聯(lián)并可輸出待測的數(shù)據(jù)信息。P1.1端口則連接同樣具有存儲功能型號為74LS164的寄存器的CLK（即第八引腳）可輸出時鐘的數(shù)據(jù)信號。P1.5、P1.6以及P1.7端口連接型號為74LS145譯碼器的A、B、C三個端口可輸出位控制數(shù)據(jù)信號。P3.5 T1端口輸入脈沖信號。XTAL1與XTAL2兩個管腳則連接兩個30 皮法電容和12兆赫茲的晶振組成時鐘電路。RST管腳則連接1千歐、10千歐、20微法電容和復(fù)位開關(guān)組成開關(guān)復(fù)位電路。

2）譯碼器。數(shù)字頻率計采用型號為74LS145譯碼器和型號為74LS164具有存儲功能的移位寄存器。如HARRIS公司生產(chǎn)研發(fā)的ICM7218B是將BCD譯碼器、多電路掃描儀、分段驅(qū)動和分位驅(qū)動合一一體的共陰極數(shù)碼驅(qū)動芯片，其電路驅(qū)動構(gòu)成較為簡單、顯示電路的軟件設(shè)計同樣簡便，但利用成本普遍高于我們實際的需要，故而舍去對ICM7218B共陰極數(shù)碼驅(qū)動芯片的應(yīng)用轉(zhuǎn)而應(yīng)用74LS145譯碼器。

3）數(shù)顯單元。數(shù)字頻率計的數(shù)顯單元以LED動態(tài)顯示的方式呈現(xiàn)，其組成是由所有分位的段選線以并聯(lián)形式連接，利用8進(jìn)制I/O端口進(jìn)行控制形成多路復(fù)用的效果。譯碼器（型號為74LS145）是此組成的位選部分，移位寄存器（型號為74LS164）則為段選部分。各個位選部分和段選部分完成并聯(lián)結(jié)構(gòu)之后，由段選部分輸出的段選碼對于各個位選結(jié)構(gòu)來講是一致的。在系統(tǒng)運行的同一時刻，假使每一個分位段選線均處于一種選通狀態(tài)，六位制的LED數(shù)顯單位將以掃描的方式顯示一致的字符。

3 結(jié)束語

綜上所述，基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計設(shè)計原理較為簡單且便于調(diào)試，但往往具有一定局限性，這主要體現(xiàn)于測定物理頻率的范圍會嚴(yán)格受制于單片機(jī)的計數(shù)速率。因此，從理論上講，我們?nèi)匀豢梢栽谄湓O(shè)計原理方面加深研究以擴(kuò)寬測頻范圍。如在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加倍頻和分頻電路構(gòu)成從而實現(xiàn)對數(shù)字變頻電路的擴(kuò)展。

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