齊 宣，李一民，邵玉斌，龍 華，楊道福

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

基于STC15單片機(jī)的高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

齊 宣，李一民，邵玉斌，龍 華，楊道福

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

本文提出一種基于STC15W4K48S4單片機(jī)的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)采用多周期同步測(cè)量法實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整減少誤差。由于采用了32 MHz的晶振，測(cè)量范圍可在1 Hz ～10 MHz，并且在高頻下誤差相對(duì)很小。本次設(shè)計(jì)給出的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，不但切實(shí)可行，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、可測(cè)頻帶寬，大大降低了設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

精度; 單片機(jī); 頻率計(jì)

0 引言

頻率是電子技術(shù)中最基本的參數(shù)之一，并且與其它許多電參數(shù)的測(cè)量方案和測(cè)量結(jié)果都有密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量顯得非常重要[1]。而現(xiàn)在的單片機(jī)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測(cè)量頻率低，精度差。目前在頻率測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)于高頻率信號(hào)高精度測(cè)量大都使用 ARM FPGA等高速處理器加專用計(jì)數(shù)芯片來(lái)完成[2]。這種方法不僅編程復(fù)雜，而且成本高，在一些小型的設(shè)備中并不適用。

本文提出的基于STC15單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，以STC15W4K48S4單片機(jī)為控制芯片，充分采用內(nèi)部的軟硬件資源，采用同步測(cè)量法控制單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并控制 LCD顯示。該方法充分發(fā)揮了STC15系列單片機(jī)在高頻晶振下計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量中也表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確度。

1 功能需求與系統(tǒng)方案論證

為達(dá)到監(jiān)播機(jī)的系統(tǒng)使用需要。設(shè)計(jì)的頻率計(jì)需要具有以下的技術(shù)要求：

1. 頻率計(jì)的計(jì)數(shù)范圍為1 Hz-5 MHz，且對(duì)超出頻域的部分也能顯示。

2. 頻率計(jì)有動(dòng)態(tài)顯示，顯示實(shí)時(shí)的測(cè)量頻率，且更新速度不低于2秒/次。

3. 頻率計(jì)部分可單獨(dú)工作，不影響其它模塊中斷的響應(yīng)。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求并達(dá)到預(yù)期效果，需對(duì)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其理由是1. 普通單片機(jī)無(wú)法達(dá)到需要的頻率要求；2. 數(shù)字頻率計(jì)軟件中涉及數(shù)學(xué)運(yùn)算，并要保存大量信息。對(duì)測(cè)量結(jié)果要驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏顯示，作為系統(tǒng)的一部分要有多個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷，以此選用增強(qiáng)型的STC15系列單片機(jī)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖 1所示。電路以 STC15W-4K48S4單片機(jī)為核心，來(lái)完成它待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)、運(yùn)算、顯示的控制。由于單片機(jī)對(duì)測(cè)量的波形有要求，所以必須將要測(cè)量的信號(hào)信號(hào)或者外接信號(hào)(包括方波、三角波、正弦波)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接受的CMOS方波信號(hào)[3]才能輸入單片機(jī)的計(jì)數(shù)引腳（P3.4）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

被整形后的信號(hào)送入單片機(jī)端口，利用其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī) STC15W4K48S4內(nèi)部具有 5個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，本設(shè)計(jì)中選用T0，T1兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)的模式和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷內(nèi)部的功能。

1.2 多周期同步測(cè)頻的原理

同步測(cè)頻法是為了提高周期測(cè)量法的精度而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的方法，其核心是使標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)的采樣與待測(cè)信號(hào)同步，并確保測(cè)量時(shí)間為整數(shù)個(gè)待測(cè)信號(hào)，從而使得該測(cè)量方法的原理誤差不超過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)周期，大大提高了測(cè)量精度[4]。采用同步測(cè)頻法對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量要求使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別對(duì)被測(cè)量信號(hào)和晶振信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)，以被測(cè)量信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其計(jì)數(shù)，使被測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)器溢出的次數(shù)為整數(shù)倍，而這時(shí)另一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)晶振的計(jì)數(shù)次數(shù)就是時(shí)間，通過(guò)計(jì)算便可得出被測(cè)信號(hào)的頻率[4,5]。

其測(cè)量原理如圖2所示，fx為被測(cè)信號(hào)頻率，fosc為晶振產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率；當(dāng)計(jì)數(shù)器 1（T0）對(duì) fx計(jì)數(shù)并且控制它計(jì)滿整數(shù) n個(gè)溢出次數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器 2（T1）的溢出次數(shù)為nosc，則T0對(duì)fx的計(jì)數(shù)次數(shù)為Nx=n×65536次，而 T1對(duì) fosc的計(jì)數(shù)次數(shù)為 Nosc=nosc×65536+TH1×256+TL1，TH1與 TL1是 T1寄存器中的數(shù)值。

圖2 多周期同步測(cè)頻原理Fig.2 Multi-cycle synchronous frequency measurement principle

由于計(jì)數(shù)器1與計(jì)數(shù)器2是同時(shí)開(kāi)始與停止的，所以是經(jīng)過(guò)了相同的時(shí)間T，所以被測(cè)頻率為：

由于在計(jì)數(shù)過(guò)程中，同步控制使得 fx的計(jì)數(shù)為寄存器的整數(shù)倍，也不存在±1誤差，所以誤差與fx無(wú)關(guān)。外部晶振采用32 MHz的有源晶振，保證晶振的穩(wěn)定，所以誤差極小控制在10-6范圍內(nèi)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原則主要是縮小系統(tǒng)體積降低作品硬件成本，提高系統(tǒng)的可靠性和使用便捷性等，而在監(jiān)播機(jī)系統(tǒng)中對(duì)硬件的體積要求盡可能小，同時(shí)不能干擾放大電路、檢測(cè)電路等，因此在單片機(jī)的選型及封裝，LCD液晶屏，電路等方面要求在滿足功能要求的同時(shí)減少空間的占用。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用的是STC15W4K48S4系列芯片，為宏晶公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，封裝格式為SOP28。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。為防止系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，需要設(shè)置系統(tǒng)復(fù)位按鈕。

高頻的時(shí)鐘信號(hào)可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的采樣。STC15提供了可達(dá)1T的主頻速度和高分辨率的定時(shí)器，因此才可以實(shí)現(xiàn)高精度和更款范圍的測(cè)量。本次設(shè)計(jì)采用 32 MHz的有源晶振。P3.4腳為被測(cè)頻率的輸入引腳，P3.5為外部晶振的輸入引腳。由于單片機(jī)內(nèi)部采樣原理的限制，理論上可以實(shí)現(xiàn)16 MHz信號(hào)的采樣，但由于誤差的影響，頻率越高時(shí)誤差會(huì)越大。

2.2 LCD顯示模塊

顯示電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是顯示器件的選擇，對(duì)于本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的頻率計(jì)為系統(tǒng)的必要模塊，需要與主板一起裝置在已提供好的功能箱中。可供選擇的器件有 LED 數(shù)碼顯示器和 LCD 顯示器，其中LED適用于室內(nèi)，比較醒目；LCD 比較精細(xì)，顯示信息多。本作品采用LCD1602型字符顯示器，它可以顯示2行各16個(gè)字符的各種ASCII碼字符，因此只要設(shè)計(jì)合理，就可以將要顯示的內(nèi)容提示，結(jié)果信息等全部顯示出來(lái)，比一般的數(shù)碼管更直觀、更有效[6]。

本次設(shè)計(jì)采用1602LCD顯示模塊，由于單片機(jī)封裝形式為SOP28，考慮到引腳較少的問(wèn)題采用四線制驅(qū)動(dòng)LCD1602以減少引腳的占用。

編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明1 VSS 地2 VDD 正極3 VL 背光調(diào)節(jié)4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇5 R/W 讀/寫(xiě)選擇6 E 使能信號(hào)7-14 D0-D7 總線端口15 BLA 背光源正極16 BLK 背光源負(fù)極

3 軟件設(shè)計(jì)

頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)工具選用Keil Vision5，使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，整體采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)軟件部分由初始化模塊、定時(shí)器設(shè)置模塊，計(jì)算模塊、顯示模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。上電后對(duì)單片機(jī)初始化，然后分別對(duì)T0、T1設(shè)置；設(shè)置T0為16位計(jì)數(shù)器，T0對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行12分頻（此時(shí)AUXR=0X40）；T1為 16位定時(shí)器，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

被測(cè)量的頻率信號(hào)由單片機(jī)的P3.4腳輸入，當(dāng)T0溢出滿10次后，分別對(duì)T0和T1的計(jì)數(shù)次數(shù)進(jìn)行求和，得出Nx和Nosc，然后求出被測(cè)頻率。

求出被測(cè)頻率的主要程序：

void CallFrecency(){

unsigned long int sum_T0=0;

unsigned long int sum_T1=0;

double a_adjust=0.0;

sum_T0=10*65536;//計(jì)算T0計(jì)數(shù)值

sum_T1=(cycle2*65536)+TH1*256+TL1;

Nx_adjust=(a0+0.0)/(a1+0.0);

Nx=FOSC*a_adjust;

cycle1=0;

cycle2=0;

}

為了減少每次的誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果調(diào)整，每測(cè)量10次取平均值。

數(shù)值調(diào)整的部分程序：

If(flag=1){

…

CallFrecency();

//將每次計(jì)算的Nx值放入數(shù)組

Result_num[flag_10]=Nx;

Flag_10++;

…

For(i=0;i＜10;i++){

Sum_result+=result_num[i];

}

ave_result=sum_result/10;

…

}

圖3 軟件流程設(shè)計(jì)Fig.3 Software process design

4 測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)量中采用32 MHz外部有源晶振作為時(shí)鐘，在正常室溫條件下對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，結(jié)果如下表。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在1 MHz內(nèi)測(cè)量精度很高，在5 MHz內(nèi)會(huì)出現(xiàn)極小誤差，范圍控制再0.1‰內(nèi)。與普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)相比較，能達(dá)到較大的量程且在10 M內(nèi)的誤差很小，采用本設(shè)計(jì)方法能達(dá)到較高的精度要求。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字頻率計(jì)作為一種基本的測(cè)量?jī)x器，在多種場(chǎng)合中都有應(yīng)用；而單片機(jī)具有體積小，較強(qiáng)的功能和低廉的價(jià)格。本文給出的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，可以在保持較高精度的情況下測(cè)量高達(dá)10 MHZ高頻信號(hào)。在不增加外部器件的情況下通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)達(dá)到目的要求。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，可以極好的滿足在廣播監(jiān)播機(jī)中的頻率和精度要求。

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Design of High Precision Frequency Meter with STC15

QI Xuan, LI Yi-min, SHAO Yu-bin, LONG Hua, YANG Dao-fu
(College of Information Engineering and Automation , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650504, China)

This article presents a high-precision digital frequency meter design method based on sigle chip computer STC15W4K48S4, the mater adopts the method called ‘Mutli-Period Synchronism’to realize the design,and adjust the measured data accordingly to reduce the error. As a result of the use of 32 MHz crystal,the meter can measure the frequency from 1 Hz to 10 MHz, and the error is relatively small at high frequencies. The design given in this article, not only pracyical, but also simple, and wide frequency range can be measured. It has a certain application.

Precision, MCU, Frequency meter

TP368

B

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.043

本文著錄格式：齊宣，邵玉斌，楊道福. 基于STC15單片機(jī)的高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（12）：220-222

齊宣，碩士研究生，研究方向?yàn)椋和ㄐ判盘?hào)處理技術(shù)；邵玉斌，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椋阂苿?dòng)通信和個(gè)人通信系統(tǒng)；楊道福，碩士研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理技術(shù)。