基于FPGA等精度频率计设计

1、摘 要本文设计的等精度频率计，主要硬件电路由复杂可编程逻辑（FPGA）和单片机AT89C51构成。FPGA完成各种时序逻辑控制、计数功能；单片机AT89C51作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出。将单片机AT89C51的控制灵活性及FPGA芯片的可编程性相结合，采用十进制数字显示，实现了测量信号的频率、周期等基本功能。关键词：等精度频率计；可编程逻辑器件；VHDL；单片机AT89C51. / 文档可自由编辑打印AbstractThis paper introduces a method to design precision frequency meter based on equal precision measuring principle. The main circuit is composed of complex programmable logic (FPGA) and AT89C51. The complex programmable logic device completes sequential logic

2、control, and the counting function. AT89C51 works as the chief controller, which controls test signals of whole circuit, proceses data, scans keyboard and controls digital to display. The system combines the flexibility of AT89C51 and programmable chip FPDA, displays with decimal figures. Keywords：Equal precision frequency meters；FPGA；VHDL；MCU目 录引 言71概 述81.1等精度频计的简介和意义81.2FPGA的简介81.2.1可编程逻辑器件FPGA的基本结构81.2.2FPGA的设计方法与要求91.2.4FPGA设计工具102 .等精度频计的原理分析112.1 等精度频计的原理113. 硬件电路设计133.1总体方案设计133.2测频模块的工作原

3、理及设计143.2.1 FPGA测频专用模块逻辑设计143.2.2测频/测周期的实现153.2.3控制部件设计163.2.4计数部件设计163.2.5脉冲宽度测量和占空比测量模块设计163.3单片机主控模块173.3.1 AT89C51单片机性能173.3.2单片机控制电路193.4外围电路设计203.4.1键盘接口电路203.4.2显示电路204.软件设计224.1本系统FPGA模块的顶层设计224.2 FPGA模块仿真224.3单片机的汇编语言编程234.3.1单片机主程序234.3.3键盘扫描、时间值输入及计数值计算子程序245.附录256.附图457.结束语468.致 谢47参考文献48引 言在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。数字式频率计的测量原理有两类：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法即测周期法，如周期测频法。直

4、接测频法适用于高频信号的频率测量，通常采用计数器、数据锁存器及控制电路实现，并通过改变计数器阀门的时间长短在达到不同的测量精度；间接测频法适用于低频信号的频率测量，本设计中使用的就是直接测频法，即用计数器在计算1S内输入信号周期的个数。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着现场可编程门阵列FPGA的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL等硬件描述语言语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。 采用FPGA现场可编程门阵列为控制核心，通过硬件描述语言VHDL编程，在QuartusII仿真平台上编译、仿真、调试 ，并下载到FPGA芯片上，通过严格的测试后，能够较准确地测量方波、正弦波、三角波、矩齿波等各种常用的信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。1概 述1.1 等精度频计的简介和意义频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一, 频率信号抗干扰强,易于传输, 可以获得较高的测量精度, 所以测频率方法的研究越来越受到重视, 本设计是基于FPGA等精度率数字

5、频率计,采用等精度测频原理。以AT89C51单片机和Altera公司生产的可编程逻辑器件(FPGA)为核心,由信号放大整形模块,FPGA模块,单片机模块,键盘模块,数码显示模块等组成。设计中采用了模块化设计方法,并使用了EDA工具,提高了设计效率。同时，消除了对被测信号计数产生的误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个频段的等精度测量。1.2 FPGA的简介Altera公司的FPGA器件有两类配置下载方式：主动配置方式和被动配置方式。主动配置方式由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程：而被动配置方式则由外部计算机或控制器控制配置过程。FPGA在正常工作时，它的配置数据（下载进去的逻辑信息）存储在SRAM中，由于SRAM的易失性，每次加电时，配置数据都必须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用被动配置方式。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片的FPGA配置是用普通编程器将设计所得的POF格式的文件烧录进去的。Altera公司提供的FPGA专用配置器件它们的

6、特点是： 配置电流小器件正常工作时，EPC器件为零静态电流，不消耗功率。 适用于3.3/5.0V多种接囗电压工作。 支持MPU 、MCU模仿下载配置时序为FPGA配置1.2.1可编程逻辑器件FPGA的基本结构可编程逻辑器件种类较多，不同厂商生产的可编程逻辑器件的结构差别较大。可编程逻辑器件的基本结构由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4部分组成。其中输入缓冲电路主要用来对输入信号进行预处理，以适应各种输入情况，例如产生输入变量的原变量和反变量；“与阵列”和“或阵列”是PLD器件的主体，能够有效地实现“积之和”形式的布尔逻辑函数；输出缓冲电路主要用来对输出信号进行处理，用户可以根据需要选择各种灵活的输出方式（组合方式、时序方式），并可将反馈信号送回输入端，以实现复杂的逻辑功能。1.2.2FPGA的设计方法与要求采用可编程逻辑器件芯片和EDA软件，在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。可以实现无芯片EDA公司，专业从事IP模块生产。也可以实现无生产线集成电路设计公司的运作。可以说，当今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA设计工具。EDA（Electronics De

7、sign Automation）即电子设计自动化。现在数字系统设计依靠手工已经无法满足设计要求，设计工作需要在计算机上采用EDA技术完成。EDA技术以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，采用EDA通用支撑软件和应用软件包，在计算机上帮助电子设计工程师完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至 PCB（印刷电路板）的自动设计等。在EDA软件的支持下，设计者完成对系统功能的进行描述，由计算机软件进行处理得到设计结果。利用EDA设计工具，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征。硬件描述语言突出优点是：语言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。与原理图输入设计方法相比较，硬件描述语言更适合规模日益增大的电子系统。硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征，是进行逻辑综合优化的重要工具。目前最常用的IEEE标准硬件描述语言有VHD L和Verilog-HDL。 FPGA设计不仅仅必须要达到客户和系统的基本要求，

8、而且需要具有可读性、可重复性和可测性这三个重要的特征。1.2.3可编程逻辑器件FPGA的一般设计流程可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。可编程逻辑器件的一般设计流程如图1.3.1所示，包括设计准备，设计输入，功能仿真，设计处理，时序仿真和器件编程及测试等七个步骤。1.2.4FPGA设计工具Altera的可编程逻辑器件设计工具随着Altera公司在推出各种可编程逻辑器件的同时也在不断升级。从早期的APLUS、MAXPLUS发展到 目前的 MAXPLUS、Quartus、Quartus。MAXPLUS 和 Quartus 具有可视化的设计环境，具有工业标准 EDA工具接口，可以运行在多种操作平台上。MAX PLUS和Quartus 提供了一种与结构无关的设计环境，设计人员不需要精通器件的内部结构，只需要运用自己熟悉的输入工具（如原理图输入或高级行为描述语言）进行设计，利用 MAX PLUS和 Quartus可以将这些设计转换为最终结构所需要的格式。有关结构的详细知识已装入开发工具软件，设计人员无须手工优化自己的设计，因此设计速度非常快。目前使用最广的

9、是Quartus，Quartus是Altera的新一代设计开发软件，支持APEX20K、APEX、Excalibur、Mercury以及Stratix等新器件系列。Quartus软件加强了网络功能，它具有最新的Internet技术，设计人员可以直接通过Internet获得 Altera的技术支持。 Quartus的安装需要的PC机系统配置：奔腾或更好的PC机，256 MB以上的有效内存，不低于 128 MB的物理内存，1.5 GB以上的硬盘空间，Windows 98、Windows 2000或Windows NT 3.51、Windows NT 4.0操作系统，17英寸显示器。2 .等精度频计的原理分析2.1等精度频计的原理传统的测频原理是在一定的时间间隔内测某个周期信号的重复变化次数N，其频率可表示为f=N/T，其原理框图见图2-1。这种测量方式的精度随被测信号频率的变化而变化。图2-1传统测频原理框图测频原理电路图如图2-2所示。如图2-2当方波预置门控信号由低变为高电平时，经整形后的被测信号上升一沿启动D触发器，由D触发器的R端同时启动可控计数器CNT1和CNT2同时计数，当预置门为低电平时，随后而至的被测信号使可控计数器同时关闭。设FX为整形后的被测信号，FS为基准频率信号，若在一次预置门高电平脉宽时间内被测信号计数值为Nx,基准频率计数值为Ns，则有: FX= (FS/Ns) Nx2.2系统设计指标基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的改变而改变，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。本系统设计的基本指标如下:（1）频率测量a测量信号：方波；频率：1Hz9999Hz b

《基于FPGA等精度频率计设计》由会员ni****g分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA等精度频率计设计》请在金锄头文库上搜索。