基于單片機的實用數(shù)字信號源與頻率計設(shè)計

摘要：在科研和裝備的檢測工作中經(jīng)常需要產(chǎn)生一些頻率固定或可變的信號，本設(shè)計由單片機、編碼器、按鍵、顯示器產(chǎn)生所需頻率的信號，同時也可以測量輸入信號頻率。實際應(yīng)用表明，本數(shù)字信號源電路簡單、操作使用簡便、性能穩(wěn)定可靠，能夠很好滿足科研和實驗的要求。

關(guān)鍵詞：智能儀器設(shè)計;數(shù)字信號源;頻率計;單片機

在科研、實驗和裝備檢測等很多工作中，經(jīng)常需要頻率可變或固定的TTL電平信號，也需要測量輸入的TTL電平信號頻率。目前，市場上有各種各樣的數(shù)字信號源和頻率計，但這些產(chǎn)品一般都是體積比較大、功能很龐大、價格也比較昂貴，往往不適合一些需要小體積信號源和頻率計的應(yīng)用場合需要。文中基于單片機技術(shù)設(shè)計了數(shù)字信號源和頻率計，該作品能夠很好地產(chǎn)生固定或可變頻率的信號，并能測量輸入信號頻率，可以滿足院校的日常教學(xué)使用和裝備或設(shè)備維修檢測需要。

1 功能需求與硬件總體方案設(shè)計

1.1 功能需求

按照一般的實驗設(shè)備或裝備維修檢測需要，確定數(shù)字信號源和頻率計的主要功能和技術(shù)指標(biāo)為：

1)單脈沖信號源：4路單脈沖信號，按下一個按鍵產(chǎn)生一個正脈沖;

2)固定輸出連續(xù)脈沖信號源：1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz、100 kHz方波;

3)頻率可調(diào)連續(xù)脈沖信號源：10 Hz～10 kHz可調(diào)。頻率可設(shè)并同步顯示;

4)頻率測量：10 Hz～10 kHz，分辨率2 Hz，更新速度：2次/秒。

1.2 硬件總體方案設(shè)計

數(shù)字信號源和頻率計的設(shè)計原則主要是縮小作品體積、降低作品硬件成本、提高作品的可靠性和使用便捷性等?？傮w方案設(shè)計主要涉及到顯示器選型、頻率設(shè)定電路選型、CPU選型、電路總體結(jié)構(gòu)等方面。針對以上功能需求，確定本作品的硬件電路總體框圖如圖1所示。

圖1中，單片機為本作品的控制核心，主要完成人機接口控制、頻率設(shè)定、信號輸出和輸入信號頻率測量等功能，采用AT89C52型單片機。為了消除普通按鍵開關(guān)產(chǎn)生脈沖時的抖動，單脈沖輸出信號由按鍵S1～S4控制，經(jīng)單片機處理后分別輸出4路脈沖信號。

編碼器和數(shù)位控制按鈕是用于設(shè)定頻率可調(diào)脈沖的頻率的。編碼器正反轉(zhuǎn)控制數(shù)字在0～9之間的加與減，數(shù)位控制按鈕(向左和向右，共2個)用以確定控制的數(shù)位。

信號源/頻率計選擇由一位信號控制，高電平(控制開關(guān)懸空)為信號源，低電平(控制開關(guān)接地)為頻率計。頻率可調(diào)輸出與測頻輸入共用一個單片機接口(P3.5)。選擇控制信號和輸出/輸入信號在基板上由一個雙路開關(guān)控制。

顯示器采用1602液晶顯示模塊，用以顯示設(shè)定的頻率或測量的頻率。

采用蓄電池對整個電路進行供電，可以提高設(shè)備使用的便捷性。

2 數(shù)字信號源硬件電路設(shè)計

數(shù)字信號源和頻率計的硬件電路設(shè)計主要包括頻率設(shè)定電路、顯示電路和單片機電路設(shè)計等。

2.1 頻率設(shè)定電路設(shè)計

頻率的設(shè)定一般可以采用鍵盤、電位器、撥碼盤和編碼器等。其中鍵盤輸入方式最靈活，但需要較多的單片機接口資源支持，而且產(chǎn)品體積會比較大，不符合本作品小型化設(shè)計要求。采用電位器進行輸入時，需要A/D轉(zhuǎn)換，成本高、電路復(fù)雜且難以精確設(shè)定，也不太適合。采用撥碼盤設(shè)定頻率，優(yōu)點是顯示與輸入一體化，但需要的單片機I/O資源也比較多，會影響單片機的選型。本設(shè)計采用編碼器輸入頻率值。

編碼器可根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同分為高分辨率和低分辨率的，高分辨率編碼器的內(nèi)部一般采用光電型的，而低分辨率的編碼器則既有光電型的，也有機械接觸式的。對于光電型的，需要由外部為它提供供電電源;對于機械接觸型的，則不需要供電電源。不管何種形式，它們都至少會有A、B兩個輸出信號。當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，這兩個輸出信號波形如圖2所示。

將信號A輸入到單片機的INT0引腳，信號B輸入到單片機的INT1引腳。然后用INT0的下降沿中斷方式，在INT0中斷服務(wù)程序中，根據(jù)信號B(即 INT1腳)的狀態(tài)，來確定脈沖數(shù)的加或減。然后將脈沖數(shù)與頻率的某一位值相對應(yīng)，頻率值的數(shù)位位置，可以用另外兩個按鈕來選擇。

2.2 顯示電路設(shè)計

顯示電路設(shè)計的關(guān)鍵問題是顯示器件的選擇。對于類似于本設(shè)計這樣的小型電子產(chǎn)品，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個字符的各種ASCH碼字符，因此只要設(shè)計合理，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，比一般的數(shù)碼管更直觀、更有效。1602字符型LCD顯示器接口信號說明如表1所示。

2.3 單片機電路及I/O資源分配

綜合考慮上述各種電路及其I/O資源需求，選擇AT89C52單片機作為本作品的CPU，從而得到本作品主控板電路原理如圖3所示。

控板采用AT89C52型單片機作為CPU芯片。主控板的外形設(shè)計成與1602型LCD顯示器相同大小，并且其固定孔和連接器位置也與LCD直接對應(yīng)，這樣便于將其與LCD直接固定為一體，從而既可以縮小測試儀的體積，也便于設(shè)備維護。

主控板設(shè)計的核心問題是CPU的I/O端口的分配問題，信號源所需的I/O資源如表2所示。

從表2可見，測試儀所需的信號數(shù)量為31個，因此一個單片機即可滿足需要。

3 數(shù)字信號源軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)總體方案設(shè)計

信號源采用點陣液晶顯示器來顯示輸出信號頻率和頻率測量結(jié)果，設(shè)置需要產(chǎn)生的信號頻率過程中，要顯示相關(guān)輔助信息和測量結(jié)果，這就需要相對復(fù)雜的軟件配合。本作

品的軟件系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

圖4中初始化程序為所有變量給定初值，并對顯示屏進行清屏、設(shè)置顯示模式、光標(biāo)位置等操作;定頻信號產(chǎn)生程序是通過簡單的運算，然后輸出六路固定頻率的信號;變頻信號產(chǎn)生程序是根據(jù)編碼器輸出的信號頻率，通過一系列的計算后，給相應(yīng)寄存器賦值，從而產(chǎn)生用戶所需頻率的信號;單脈沖信號產(chǎn)生程序主要目的是消除按鍵的抖動信號，使每按一次按鍵就產(chǎn)生一個單脈沖信號;頻率測量程序用于外部輸入信號頻率的測量;頻率設(shè)定程序是利用單片機的外部中斷測量輸入信號，從而確定需要輸出的頻率;顯示程序負(fù)責(zé)幫助用戶設(shè)定所需要的輸出頻率和對輸入信號頻率進行顯示。

3.2 軟件系統(tǒng)主程序流程設(shè)計

由于系統(tǒng)可以輸出多種模式的信號，同時還兼有頻率計的功能，所以每個模塊執(zhí)行的子程序中要求給予輸入?yún)?shù)提示。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，在初始化階段，對系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)進行定義賦初值，初始化后進入功能設(shè)置，根據(jù)功能鍵值，調(diào)用對應(yīng)的功能模塊子程序。根據(jù)提示輸入所需要設(shè)置的參數(shù)，確認(rèn)后按執(zhí)行鍵執(zhí)行。

4 結(jié)論

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計方法制作了數(shù)字信號源和頻率計樣機，并對樣機進行了參數(shù)測量。實測結(jié)果表明，本數(shù)字信號源可以便捷地產(chǎn)生頻率固定或可變的連續(xù)脈沖信號和單脈沖信號，且可以實現(xiàn)對輸入信號頻率的測量。整機結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、便于攜帶，因此既可以應(yīng)用于院校的日常教學(xué)實驗中，也可以用于裝備的日常檢修中，具有較高的性價比。