基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

　　本文利用前置分頻器SAB6456A和高速數(shù)字分頻器74HC390的分頻功能，結(jié)合新型的MSP430F449單片機(jī)，給出了一種新穎的、全自動(dòng)的數(shù)顯測(cè)量射頻頻率的設(shè)計(jì)方案。

　　圖1 信號(hào)的前端處理及分頻電路

　　主要器件介紹

　　MSP430F449單片機(jī)

　　MSP430F449 采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器，性能價(jià)格比很高。它的特點(diǎn)包括：

　　· 超低的功耗：能夠在1.8V~ 3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM）。在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6ps。

　　· 較強(qiáng)的運(yùn)算能力：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有16個(gè)中斷源，可以任意嵌套；在8MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下指令周期可達(dá)125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá)64KB的Flash程序空間和2KB的RAM，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。

　　· 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時(shí)器，基本定時(shí)器，比較器，16位定時(shí)器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，6個(gè)8位的I／O端口，12位ADC （最高采樣率200kHz）等。豐富的片上外設(shè)可以很方便地構(gòu)建一個(gè)較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時(shí)序控制任務(wù)的完成。

　　·方便高效的開發(fā)環(huán)境：MSP430F449是Flash型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的Flash存儲(chǔ)器，可以先下載程序到Flash內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)師調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。

　　前置分頻器SAB6456A

　　SAB6456A是專為UHF/VHF設(shè)計(jì)的前置分頻器。內(nèi)部的MCpin為分頻控制端，可對(duì)頻率范圍為70MHz-1GHz的信號(hào)進(jìn)行64/256分頻，當(dāng)MC pin開路時(shí)為64分頻；當(dāng)MC pin接地時(shí)為256分頻。有較高的靈敏度和較強(qiáng)的諧波抑制能力。

　　圖2 單片機(jī)外圍電路

　　工作原理

　　該設(shè)計(jì)主要分兩部分：分頻和計(jì)數(shù)。首先，輸入信號(hào)限幅后經(jīng)SAB6456A分頻，256分頻后的信號(hào)再經(jīng)兩片74HC390高速分頻器進(jìn)行1000分頻，此時(shí)模擬信號(hào)變?yōu)榈皖l數(shù)字信號(hào)，頻率在10kHz以下；其次，分頻后的信號(hào)直接接入MSP430F449單片機(jī)，利用內(nèi)部的16位定時(shí)器A來定時(shí)和計(jì)數(shù)。該定時(shí)器可分為幾個(gè)部分：計(jì)數(shù)器部分，捕獲/比較寄存器及輸出單元。其中，計(jì)數(shù)器有4種工作模式，3個(gè)捕獲/比較寄存器。利用計(jì)數(shù)器的連續(xù)計(jì)數(shù)模式和上升沿捕獲模式，在定時(shí)器中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間，再除N得到頻率。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　圖1為信號(hào)的前端處理及分頻設(shè)計(jì)。輸出后的信號(hào)再經(jīng)兩片SN74HC390分頻，SN74HC390是高速分頻器件，最高分頻頻率為50MHz。每片 SN74HC390可實(shí)現(xiàn)100分頻，采用兩片串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的1000分頻，經(jīng)分頻后的數(shù)字信號(hào)頻率較低，約4kHz以下，可由單片機(jī)直接計(jì)數(shù)。

　　圖2為單片機(jī)外圍電路，包括復(fù)位電路，電源電路和單片機(jī)工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種，8MHz 作為定時(shí)器A的計(jì)數(shù)器輸入時(shí)鐘源；32.768kHz 作為數(shù)碼管的顯示頻率。74LS373為D型鎖存器，5V單電源供電，因輸出電流足夠大，也可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極LG3631AH型數(shù)碼管。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　將分頻的輸出端OUT接至單片機(jī)的頻率輸入端，程序開始先延時(shí)一段時(shí)間，待信號(hào)穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時(shí)器A，在定時(shí)器A 中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖，測(cè)量結(jié)束后得到N個(gè)脈沖的時(shí)間，然后除N得到脈沖的頻率，乘以分頻系數(shù)得到實(shí)際頻率并顯示，經(jīng)過短暫延時(shí)后重新測(cè)量，如此循環(huán)測(cè)量并顯示。

　　在測(cè)量頻率時(shí)，為保證精度要關(guān)掉LED顯示，所以，對(duì)于頻率較低的信號(hào)會(huì)發(fā)生LED閃爍的情況，解決辦法是測(cè)量較少個(gè)脈沖以減少平均測(cè)量時(shí)間或減少延時(shí)。

　　采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理是：由P4向各個(gè)位輪流輸出掃描信號(hào)，使每一位瞬間只有一個(gè)數(shù)碼管被選通，然后由P3向該位輸入顯示的字型碼，驅(qū)動(dòng)該位字形段顯示字形。這樣，在P3送出的碼段和P4送出的位段的配合下，使各個(gè)數(shù)碼管輪流顯示各自的字形，每位的顯示時(shí)間要超過1ms，這樣人眼就感覺不到閃爍了。

　　測(cè)量主程序如下：

　　void frequency_measure（void）

　　{float tmp，tmp1;

　　key_flag=0;//按鍵標(biāo)志清0

　　P1OUT|=BIT0;

　　Delay（1000）; file://延時(shí)一段時(shí)間等待信號(hào)穩(wěn)定

　　while（1）

　　{ IE2&=~0X80; file://關(guān)BT，關(guān)LED

　　firstflag=1;//開始測(cè)量第一個(gè)脈沖

　　TACTL|=TAIE; file://開捕獲

　　CCTL1|=CCIE;//開timer a

　　while （f_ok_flag==0）;//等待測(cè)量結(jié)束

　　f_ok_flag=0;

　　if （aa1》aa2）

　　overflow=overflow-1;

　　tmp=aa2-aa1;

　　tmp1=40.0/（overflow*0.008191875+（tmp/8000000.0））;

　　result=tmp1*0.256;

　　IE2|=0X80;//開BT，開LED

　　yanshi（2，2）;//可以修改這里的參數(shù)，越大表示延時(shí)越長(zhǎng)，太小的話LED就會(huì)變暗

　　CCTL1&=~CCIE;//關(guān)捕獲

　　TACTL&=~TAIE;//關(guān)timer a

　　return;

　　}

　　}

　　流程圖如圖3所示。

　　圖3 主程序流程

　　結(jié)語

　　本文給出的硬件和軟件均經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，使用該測(cè)量?jī)x器所測(cè)結(jié)果精度較高。該測(cè)量?jī)x器價(jià)格較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種經(jīng)濟(jì)型的頻率測(cè)試儀。