基于數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2812芯片實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻率及時(shí)間的測(cè)量以及它們的控制技術(shù)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域，特別是在計(jì)量學(xué)、電子技術(shù)、信息科學(xué)、通信、天文和電子儀器等領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。從國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)上看，頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高得非?？欤瑤缀跏敲扛?至8年就提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。本系統(tǒng)采用DSP的數(shù)值控制方式是目前設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，這種基于DSP的控制系統(tǒng)能夠用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，而不需要復(fù)雜的模擬電路，具有軟硬件模塊化、測(cè)量功能可重組/可選擇的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用TI公司推出的150MHz高速處理能力的高精度定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2812芯片，其豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，其高效的32位CPU內(nèi)核、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等特點(diǎn)，為提高系統(tǒng)的測(cè)量精度奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本嵌入式數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路主要包含4個(gè)部分：4通道整形電路模塊，TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊，單色液晶屏模塊（CM320*240）和4*2矩陣鍵盤(pán)模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

4通道整形電路模塊：完成模擬信號(hào)整形、衰減功能 。

TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理模塊：完成軟件濾波，多周期同步測(cè)頻算法等。

單色液晶屏模塊：實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)捕獲的頻率值，同時(shí)配合鍵盤(pán)進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)置。

4*2矩陣鍵盤(pán)模塊：系統(tǒng)命令的形成與其它參數(shù)的輸入設(shè)置。

信號(hào)處理過(guò)程：在鍵盤(pán)控制下，TMS320F2812根據(jù)4*2鍵盤(pán)發(fā)出的命令實(shí)時(shí)地將要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器形成的方波信號(hào)直接輸入捕獲單元的輸入引腳，再通過(guò)軟件濾波將捕獲到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多周期同步測(cè)量算法處理后直接送到單色液晶屏顯示，當(dāng)再次進(jìn)行通道選擇時(shí)，可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在綜合考慮各種硬件條件下，設(shè)計(jì)出如圖2的系統(tǒng)硬件連接圖。

通道整形電路模塊

利用TMS320F2812的捕獲單元設(shè)計(jì)出硬件測(cè)頻電路。由于CAP模塊只能捕獲0V~3V的外界模擬方波信號(hào)，模擬信道必須將要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后才能輸入CAP模塊。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD8022作為前端模擬處理。

AD8022是一款性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、具有低噪聲和低失真特性的高性能8引腳雙運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電路輸入級(jí)是NPN差分對(duì)，與之對(duì)應(yīng)的后面驅(qū)動(dòng)是PNP對(duì)，輸出緩沖級(jí)是工作在AB類(lèi)的放大的射頻跟隨器。當(dāng)閉環(huán)增益提高時(shí)，AD8022可驅(qū)動(dòng)更大的容性負(fù)載，輸出不會(huì)產(chǎn)生震蕩。

本系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)方式實(shí)現(xiàn)電壓比較器，可以將-15V~+15V的外界模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓求和電路輸出0V~3V的模擬信號(hào)（即圖3中的引腳3處），為抑制共模抑制比將其輸入到同相端，而在反相端輸入+1.5V的比較電平，這樣，在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。單通道整形電路模塊電路圖如圖3所示。

單色液晶屏模塊

CM320240是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)控制器和列驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成了320（列）×240（行）的全點(diǎn)陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫(kù)，編程模式簡(jiǎn)潔方便。

該液晶模塊的讀寫(xiě)周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫(xiě)周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接控制方式。為節(jié)約硬件成本，該系統(tǒng)選用通用GPIO來(lái)控制液晶屏的讀寫(xiě)信號(hào)。

鍵盤(pán)模塊

由于鍵盤(pán)是低速外設(shè)，與TMS320F2812連接時(shí)存在速度匹配問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置相應(yīng)的全局變量實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的同步。

本系統(tǒng)將鍵盤(pán)分為二類(lèi)：通道選擇鍵（3個(gè)）與系統(tǒng)鍵（4個(gè)）。通道選擇鍵主要完成系統(tǒng)單通道、雙通道、四通道模式的設(shè)定；系統(tǒng)鍵包括停止鍵（停止觀察顯示的頻率）、返回鍵（通道選擇的重新設(shè)定）、UP鍵和DOWN鍵（選擇捕獲單元硬件連接方式）。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要包括三部分內(nèi)容：捕獲中斷測(cè)頻子程序、鍵盤(pán)定時(shí)中斷掃描子程序和LCD顯示處理子程序。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。

鍵盤(pán)定時(shí)中斷掃描

為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求、完成鍵盤(pán)操作的實(shí)時(shí)響應(yīng)，本系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)5ms的時(shí)基，采用事件管理器的EVB的time4定時(shí)周期中斷來(lái)完成。對(duì)鍵盤(pán)掃描、命令形成與標(biāo)志位設(shè)置功能，都在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序完成。鍵盤(pán)定時(shí)中斷掃描流程圖如圖5所示。

捕獲中斷測(cè)頻

本系統(tǒng)使用TMS320F2812事件管理器模塊的捕獲單元來(lái)測(cè)頻，捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，由內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄一個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，并通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算來(lái)得到被測(cè)頻率的大小。此模塊主要包括捕獲與定時(shí)的初始化設(shè)置與捕獲中斷子程序兩部分。

捕獲中斷測(cè)頻子程序的部分代碼如下：

（1）void InitEv1（void）//捕獲1初始化設(shè)置

{

EALLOW;

SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x00;// 外設(shè)高速時(shí)鐘

EDIS;

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP1EDGE=1; //檢測(cè)上升沿，計(jì)算周期脈沖寬度

EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIFO=0; //CAP1FIFO空

EvaRegs.CAP1FBOT=0;//棧底清零

EvaRegs.CAP1FIFO=0;

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;//清捕獲中斷1標(biāo)志位

EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //捕獲1中斷使能

}

（2）interrupt void CAPINT1_isr（void）//捕獲中斷1子程序

{

CAP1_t1=EvaRegs.CAP1FIFO;//

CAP2_t1=EvaRegs.CAP1FIFO;

if（CAP2_t1》CAP1_t1）

temp1=CAP2_t1-CAP1_t1;

else

temp1=CAP2_t1+EvaTimer1InterruptCount*65535-CAP1_t1;

f1= 1171875.0/（float）temp1;

value=f1;

fpart = modf（value， &ipart）;

a1=（long）ipart;//獲得頻率的32位整數(shù)

*（Uint16 *）0x80008=a1&0x0ffff;//獲的低16位

*（Uint16 *）0x80009=（a1&0xffff0000）》》16;//獲的高16位

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;//清捕獲中斷1標(biāo)志位

EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //捕獲1中斷使能

PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK3 = 1;//開(kāi)外設(shè)中斷應(yīng)答

}

LCD顯示處理

LCD的顯示分為信息區(qū)與顯示區(qū)兩部分。其中信息區(qū)包括固定信息（顯示煙臺(tái)大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室等），顯示區(qū)包括通道號(hào)信息與各通道的頻率值信息的顯示。本模塊主要包括LCD的初始化設(shè)置與頻率值的顯示等子程序。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)測(cè)試了如表1中的6組數(shù)據(jù)，并做出了誤差分析。輸入信號(hào)頻率與實(shí)測(cè)信號(hào)頻率如表1所示。

誤差分析：本系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自如下兩個(gè)方面，即計(jì)數(shù)脈沖和門(mén)控信號(hào)不同步以及晶振不穩(wěn)定。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有高精度和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的測(cè)頻系統(tǒng)，由于在實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)單，可以滿足低成本的要求，使測(cè)頻電路大為簡(jiǎn)化，便于工程應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試后得出：系統(tǒng)的測(cè)頻誤差可達(dá)到0.1%，由于采用了實(shí)時(shí)的鍵盤(pán)定時(shí)中斷掃描，可以較好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

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