楊衛(wèi)東 班奎峰 楊紅天

【摘要】 近幾年發(fā)展成熟的Cotex-M3系列嵌入式單片機(jī)，由于其低功耗、低成本和高性能的特點(diǎn)，使其在高端工業(yè)儀表和儀器應(yīng)用得以迅速普及。但30MHz以上級別的計(jì)數(shù)器，無法在STM32F103系列單片機(jī)上直接實(shí)現(xiàn)，原有儀器硬件方案是采用高速FPGA實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。針對原有儀器硬件方案進(jìn)行改進(jìn)，將MCS51單片機(jī)換成STM32F103VET6嵌入式單片機(jī)，去掉FPGA的計(jì)數(shù)器，用嵌入式單片機(jī)直接實(shí)現(xiàn)100MHz高速計(jì)數(shù)器功能。以達(dá)到簡化原設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

【關(guān)鍵詞】 高速計(jì)數(shù)器 嵌入式系統(tǒng)

一、輸入信號的分頻處理

針對STM32F103VET6計(jì)數(shù)器上限只能到27MHz的情況，決定對被測高頻信號進(jìn)行4分頻后，進(jìn)入單片機(jī)。如此，信號在100MHz時(shí)輸入單片機(jī)的信號頻率為25MHz，就達(dá)到了頻率設(shè)計(jì)目標(biāo)。選擇FAIRCHILD公司的74AC74（雙D觸發(fā)器）來實(shí)現(xiàn)4分頻，74AC74在SV電源工作條件下，-40。-85°范圍內(nèi)fmax≥125MHz。4分頻原理圖見圖1。

二、計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的主要誤差分析

l、基本誤差。計(jì)數(shù)器在每秒計(jì)數(shù)期間，由于信號和秒時(shí)鐘的偶然關(guān)系，計(jì)數(shù)器具有±1個(gè)字的基本誤差。

2、四分頻器誤差。由于單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器工作在四分頻信號，則計(jì)數(shù)器的所有誤差均會被放大4倍。

3、單片機(jī)1秒中斷誤差。單片機(jī)內(nèi)部1秒中斷時(shí)間到，到執(zhí)行讀出計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)這個(gè)過程中，每次操作延遲的時(shí)間有一定的差別，導(dǎo)致誤差；并且在讀數(shù)期間也有可能產(chǎn)生新的計(jì)數(shù)，若是碰到計(jì)數(shù)進(jìn)位情況，會產(chǎn)生很大的偶然性誤差。這兩種誤差也會因4分頻被放大4倍。

三、計(jì)時(shí)器系統(tǒng)誤差處理

1、消除計(jì)數(shù)器基本誤差。對于計(jì)數(shù)器的此項(xiàng)誤差，通過軟件將前后兩次計(jì)數(shù)值，做簡單的均值濾波就可以消除。

2、降低4分頻器誤差。由于4分頻器均會將所有誤差放大4倍，影響最大。發(fā)揮STM32F103VET6的多計(jì)數(shù)器長處，用兩個(gè)計(jì)數(shù)器對信號技術(shù)，一個(gè)對信號的上升沿計(jì)數(shù)，一個(gè)對信號下降沿計(jì)數(shù)。這樣處理后，實(shí)際的分頻系數(shù)就降低為2了。若想消除此項(xiàng)誤差，在雙計(jì)數(shù)器技術(shù)的條件下，選擇計(jì)數(shù)器速度超過50MHz的單片機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。

3、消除單片機(jī)1秒中斷誤差。為了消除此項(xiàng)誤差，只能采用硬件操作來完場計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，而不能用軟件中斷方式來實(shí)現(xiàn)。筆者是這樣解決的，針對計(jì)數(shù)器有外部捕獲功能，若每秒產(chǎn)生一個(gè)不收軟件控制的捕獲信號即可。從這個(gè)思路出發(fā)，充分發(fā)揮嵌入式單片機(jī)優(yōu)勢，通過單片機(jī)內(nèi)的PWM發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)不用軟件參與的1Hz信號，將這個(gè)PWM引腳連接到計(jì)數(shù)器的捕獲引腳上，就達(dá)到目的了。也可以采用單獨(dú)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片產(chǎn)生這個(gè)信號。

4、降低1秒時(shí)間基準(zhǔn)誤差。由于此項(xiàng)誤差不來源于單片機(jī)本身，而是來源于外部的石英晶體振蕩器，最簡單的辦法是采用高精度和穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器。

四、軟件流程圖

設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用STM32F103VET6的計(jì)數(shù)器外設(shè)，完全避開了軟件對計(jì)數(shù)器工作的干擾，計(jì)數(shù)器的運(yùn)行消耗MCU資源極少，只在每秒計(jì)算信號頻率時(shí)才運(yùn)行一次計(jì)算程序，軟件流程見圖7，計(jì)算公式如下：

本次1秒F=（N*65536+本次捕獲計(jì)數(shù)器值-前次捕獲計(jì)數(shù)器值）*分頻系數(shù)

N*65536計(jì)數(shù)器工作在16位模式，每次中斷代表有65536信號進(jìn)入計(jì)數(shù)器

分頻系數(shù)=2

信號頻率=（本次1秒F+前次1秒F）/2