基于单片机高性价比频率计的设计与实现.doc

1、基于单片机高性价比频率计的设计与实现摘要：该系统以 8051 单片机为核心，应用单片机的运算和控制功能并采用 LED 显示器实时地将所测频率显示出来，既满足测量的精度要求, 又具有很好的性能价格比。 关键词：单片机 同步 频率测量 1 系统测量原理测量方法采用多周期同步测量法，保证了测量精度。多周期同步测量原理与传统的频率和周期的测量原理不同，时钟信号(f0)经同步电路作用后与被测信号同步。主门 与主门 在时间 T 内被同时打开，于是计数器 和计数器 便分别对被测信号和时钟信号的周期数进行累计。在 T 内，事件计数器的累加数为 Na；时间计数器的累加数为 Nb。再由单片机运算得出被测频率为（N

2、a/Nb）f。由于 D 触发器的同步作用，计数器 所记录的 Na 值已不存正负 1 误差的影响。但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器 所记录的 Nb 值仍存在正负 1 误差的影响，由于时钟频率很高，正负 1 误差影响小，所以测量精度与被测信号频率无关，且在全频段的测量精度是均衡的。图 1 系统测量原理框图2 系统硬件设计在频率计设计中，硬件电路采用了 8051 单片机、双四位二进制计数器 74LS393、缓存器74LS244、8155 带 RAM 和定时器/计数器的可编程并行接口芯片、16K 程序存储器扩展芯片 2716、十倍分频器 74s196、反向器 74ls14、反向驱动

3、器 7406、7407 等。所采用的芯片技术成熟，性能可靠，性价比较高。系统硬件主要由四部分组成:通道部分、计数器部分、单片机控制和接口部分、显示部分。2.1 通道部分本频率计的输入通道由两部分组成，第一部分就是常见的信号预处理电路，包括对被测信号的放大、整形、滤波等等。第一级由开关三极管构成的零偏置放大器，三极管采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应。第二级是由 74LS14 施密特触发器构成的电路。施密特触发器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的单相脉冲信号转换成与 TTl/CMOS 兼容的方波信号。另一方面其滞后带宽可以有效抑制信号中的干扰。第三级是由 74ls196 构成的分频

4、器电路。本机设计测频范围 20HZ100MHZ，当被测频率大于 10 MHZ 时，需经分频电路分频后再送入计数器电路。第四级是由 4N25 构成的光电隔离电路，用于把输入的电信号转化为光信号进行传输，从而把测量电路与外界干扰隔开，能有效地保证测量精度。第二部分是同步门电路，它的作用是保证被测信号和频率基准信号同时进入测量电路。其构成主要包括由与门组成的主门 I 和主门 II，以及由 D 触发器构成的同步门控制电路，主门 I 控制被测信号 fx 的通过，主门 II 控制时钟信号 f 的通过。2.2 计数器部分计数器包括时间计数器和事件计数器两部分，它们是完全相同的计数电路。分别由前后两级组成，前

5、级电路由高速的 TTL 计数器 74LS393 构成八位二进制计数器；后级由单片机内的计数器构成十六位二进制计数器。计数前，先由 P1.3 发计数器清零信号，计数后通过 74LS244 缓冲器将测量结果读入内存。这样设计既充分利用了硬件资源，又大大提高了测量频率范围。图 2 计数器电路图2.3 单片机控制和接口部分8051 单片机的任务是进行整机测量过程的控制、故障的自动检测以及测量结果的处理与显示等。P1 口与 P2 口被用于施加各种控制信号，其中：P1.0 作为预置闸门时间的控制线；P1.1作为同部门控制电路的复位信号线；P1.2 用于查询闸门时间的状态线；P1.3 作为计数器复位信号线。

6、单片机内部有两个 16 位二进制定时/ 计数器，用做两个主计数器的一部分，并通过 T0,T1分别与外部事件计数器和时间计数器的进位端相接。外部的时间计数器和事件计数器的测量结果分别通过扩展输入口与 P0 口相连。8155 作为单片机的扩展 I/O 口，主要用来与显示电路接口， 8155 内部的 14 位计数器被用来作为本机的闸门时间计数器，定时器的输入信号取自单片机 ALE 端；定时器的输出与单片机的 INT1 相连，作为中断信号。2.4 显示部分采用 8 位 LED 数码管进行显示。这是一个较为典型的采用 8155 并行口组成的显示电路。八位 LED 显示采用了动态显示软件译码工作方式。LE

7、D 显示器选用共阴极，段码由 8155PA 口提供，位选码 8155PB 口提供。其中 7406 反向驱动器做作为位选码驱动器，这是因为 8155PB 口正逻辑输出的位控与共阴极 LED 要求的低电平点亮正好相反，即当 PB 口位控线输出高电平时，点亮一位 LED。7407 是同相驱动器，作段选码驱动器。3 系统软件设计软件采用汇编语言编写，应用模块化设计方法，主要包括中断监控服务程序，数值比较子程序，数据处理子程序，十进制转换子程序，LED 显示子程序。主流程图如下：图 3 程序主流程图程序编写较难的部分是数据处理部分，它涉及到多字节的乘除法。因为乘数和被乘数各为三字节，因此需要进行九次乘法

8、运算，得到九个部分积。我们知道 MUL AB 指令，把累加器 A 和寄存器 B 中的两个无符号 8 位数相乘，所得的 16 位乘积结果，低位字节放在 A中，高位字节放在 B 中。假定部分积的高字节以 “H ”为标志，部分积的低字节以 “L”为标志，还要对相加产生的进位进行处理。 下图为乘法的具体实现过程的示意图： 图 4 乘法运算示意图乘法运算程序的关键段如下:MOV A，R6 MOV B，R3 MUL AB ；得第一次部分积MOV O8H，A ；得乘积的第六字节MOV 09H，B ；R3R6HMOV A，R6MOV B，R2 MUL AB ；得第二次部分积ADD A,O9H ；R3R6H+R

9、2R6LMOV 0BH，ACLR AADDC A，B ；R2R6H+CMOV OAH，AMOV A，R6 MOV B，R1 MUL AB ；得第三次部分积ADD A，0AH ；R2R6H+R1R6LMOV OCH，ACLR AADDC A，B ；R1R6H+C4 结束语 该系统结构简单，与传统的电路相比，该系统处理速度快、稳定性高，采用多周期同步测量法实现全频段的频率精确测量，具有较高的性价比。本文的创新观点是计数器和定时器分别由前后两级组成，前级电路由高速的 TTL 计数器 74LS393 构成八位二进制计数器；后级由单片机内的计数器构成十六位二进制计数器，大大提高了频率计的测量范围。参考文献1李光第，朱月秀等 . 单片机基础M . 北京航空航天大学出版社，20042李朝青. 单片机原理及接口技术设计M . 北京航空航天大学出版社，20033赵茂泰. 智能仪器原理及应用M . 电子工业出版社，20044赫建国，刘建新等 . 基于单片机的频率计设计J 西安邮电学院学报，20035曹柏荣，林士玮 . 基于单片机的康复仪研究J 微计算机信息， 2006，2-1 ：21-23 。