基于TMS320F2812的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案解析

引言
　　頻率是指某周期現(xiàn)象在單位時(shí)間內(nèi)所重復(fù)的次數(shù)，它與時(shí)間在數(shù)學(xué)上互為倒數(shù)。時(shí)間頻率的精確測(cè)量促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展，而科學(xué)的發(fā)展又反過來把時(shí)間頻率的測(cè)量提高到新的高度。特別在最近的幾十年里，頻率和時(shí)間的測(cè)量精度已達(dá)到非常高的水平，即已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他所有物理量的測(cè)量精度。它主要的應(yīng)用領(lǐng)域有導(dǎo)航和通信兩大類，以及空間技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、交通、科學(xué)研究及天文學(xué)與計(jì)量學(xué)方面。
　　為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的要求，新型的頻率計(jì)中都使用了單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣，由軟件代替了復(fù)雜的硬件電路，使儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，功能增強(qiáng)。本文給出一種基于TMS320F2812（簡(jiǎn)稱F2812）DSP的一種簡(jiǎn)易測(cè)頻方法。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能，在被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿捕獲計(jì)數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)多靠軟件設(shè)置，運(yùn)算簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高。
　　1 測(cè)量方法
　　常用的測(cè)頻方法主要有直接測(cè)頻法、直接測(cè)周法以及多周期測(cè)量法。直接測(cè)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(cè)周法則恰恰相反。多周期測(cè)量法是將被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器，其實(shí)際閘門時(shí)間不是固定值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1 Hz的計(jì)數(shù)誤差，其精度僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)。因此本設(shè)計(jì)采用多周期測(cè)量法作為具體的實(shí)施方案。
　　2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)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(hào)，然后再進(jìn)入DSP，利用其定時(shí)器和捕獲單元實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。測(cè)量完成后，一方面可由鍵盤設(shè)置相關(guān)參數(shù)通過LCD顯示測(cè)量結(jié)果，另一方面可通過RS一232傳送給PC機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，增加了一個(gè)自我校準(zhǔn)電路，即在測(cè)量之前，可通過軟件設(shè)置產(chǎn)生1 MHz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理模塊的輸入端，檢測(cè)測(cè)量結(jié)果是否正確，從而達(dá)到自我校準(zhǔn)的目的。
　　
　　本設(shè)計(jì)選用美國(guó)德州儀器公司（TI）的F2812 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(yè)控制DSP芯片。它運(yùn)算速度快，工作時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz，指令周期可以達(dá)到6．67 ns以內(nèi)，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(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的操作能力；外圍設(shè)備包括3個(gè)32位的CPU定時(shí)器，16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器，串行外圍接口（SPI），2個(gè)串行通信接口（SCI）等。其片內(nèi)外設(shè)時(shí)間管理器含有2個(gè)模塊（EVA和EVB），每個(gè)模塊都包括2個(gè)通用定時(shí)器，3個(gè)全比較／PWM單元，3個(gè)捕獲單元和 1個(gè)正交編碼脈沖電路。本設(shè)計(jì)主要利用EVA中的2個(gè)通用定時(shí)器（T1和T2），2個(gè)捕獲單元（CAPl和CAP3），EVB中的1個(gè)通用定時(shí)器 （T3）。具體測(cè)量原理如圖2所示。