基于單片機(jī)和CPLD的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，通常將單片機(jī)作為控制核心并輔以相應(yīng)的元器件構(gòu)成一個(gè)整體。但這種方法硬件連線復(fù)雜、可靠性差，且在實(shí)際應(yīng)用中往往需要外加擴(kuò)展芯片，這無疑會(huì)增大控制系統(tǒng)的體積，還會(huì)增加引入干擾的可能性。對(duì)一些體積小的控制系統(tǒng)，要求以盡可能小的器件體積實(shí)現(xiàn)盡可能復(fù)雜的控制功能，直接應(yīng)用單片機(jī)及其擴(kuò)展芯片就難以達(dá)到所期望的效果。

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有集成度高、運(yùn)算速度快、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)，改變了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法、增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性?；诖?，本文提出了一種采用Altera公司的CPLD(ATF1508AS)和Atmel公司的單片機(jī)(AT89S52)相結(jié)合的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。該數(shù)字頻率計(jì)電路簡潔，軟件潛力得到充分挖掘，低頻段測(cè)量精度高，有效防止了干擾的侵入。獨(dú)到之處體現(xiàn)在用軟件取代了硬件。

CPLD開發(fā)環(huán)境簡介

1 VHDL語言

VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成電路硬件描述語言）是由美國國防部開發(fā)的一種快速設(shè)計(jì)電路的工具，目前已經(jīng)成為IEEE的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。相比傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，VHDL具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，支持自頂向下和基于庫的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)者可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在方框圖一級(jí)用VHDL對(duì)電路的行為進(jìn)行描述，并進(jìn)行仿真和糾錯(cuò)，然后在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級(jí)邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的CPLD器件中去，從而實(shí)現(xiàn)可編程的專用集成電路（ASIC）的設(shè)計(jì)。

2 Max+PlusⅡ開發(fā)工具

Max+PlusⅡ開發(fā)工具是美國Altera公司自行設(shè)計(jì)的一種CAE軟件工具。它具有全面的邏輯設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)者可以自由組合文本、圖形和波形輸入法，建立起層次化的單器件或多器件設(shè)計(jì)。利用該工具配備的編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能，將設(shè)計(jì)的電路圖或電路描述程序變成基本的邏輯單元寫入到可編程芯片中（如CPLD、FPGA），做成ASIC芯片。

它支持FLEX、MAX及Classic等系列CPLD器件，設(shè)計(jì)者無須精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ，只需用自己熟悉的設(shè)計(jì)輸入工具，如高級(jí)行為語言、原理圖或波形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，它便將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)結(jié)構(gòu)所要求的格式，從而簡化了設(shè)計(jì)過程。而且Max+PlusⅡ提供了豐富的邏輯功能庫供設(shè)計(jì)者使用。設(shè)計(jì)者利用以上這些庫及自己添加的宏功能模塊，可大大減輕設(shè)計(jì)的工作量。使用Max+PlusⅡ設(shè)計(jì)CPLD器件的流程如圖1所示。

圖1 Max+PlusⅡ設(shè)計(jì)CPLD器件的流程圖

等精度測(cè)頻原理

本系統(tǒng)采用等精度測(cè)頻的原理來測(cè)量頻率，其原理如圖2所示。

圖2 等精度測(cè)頻原理圖

圖2中的門控信號(hào)是可預(yù)置的寬度為Tpr的一個(gè)脈沖。CNT1和CNT2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從CNT1的時(shí)鐘輸入端FS輸入，其頻率為Fs；被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后從CNT2的時(shí)鐘輸入端FIN輸入，設(shè)其實(shí)際頻率為Fxe，測(cè)量頻率為Fx。

當(dāng)門控信號(hào)為高電平時(shí)，被測(cè)信號(hào)的上沿通過D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器CNT1和CNT2。對(duì)被測(cè)信號(hào)Fx和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)Fs同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)門控信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的被測(cè)信號(hào)的上沿將使這兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。設(shè)在一次門控時(shí)間Tpr中對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，則：
Fx/Nx=Fs/Ns(標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率的門寬時(shí)間Tpr完全相同)就可以得到被測(cè)信號(hào)的頻率值為:
Fx=(Fs/Ns)×Nx

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路包括鍵盤控制模塊、顯示模塊、輸入信號(hào)整形模塊以及單片機(jī)主控和CPLD模塊。鍵盤控制模塊設(shè)置5個(gè)功能鍵和3個(gè)時(shí)間選擇鍵，鍵值的讀入采用一片74LS165來完成，顯示模塊用8只74LS164完成LED的串行顯示。

系統(tǒng)由一片CPLD完成各種測(cè)試功能，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括對(duì)鍵盤信號(hào)的讀入與處理；對(duì)CPLD測(cè)量過程的控制、測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的處理；最后將測(cè)量結(jié)果送LED顯示輸出。被測(cè)信號(hào)整形電路主要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行限幅、放大、再經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后送入CPLD。用50MHz的有源晶振作為CPLD的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)頻率。單片機(jī)由外接12MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振提供時(shí)鐘電路。系統(tǒng)組成原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2 CPLD邏輯模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)等精度測(cè)頻原理，利用VHDL實(shí)現(xiàn)的測(cè)頻頂層電路模塊邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頂層模塊圖

該模塊由4個(gè)子模塊構(gòu)成。其中CONTROL1為測(cè)頻或測(cè)周期控制模塊；CONTROL2為測(cè)脈寬和占空比控制模塊；CHOICE為自校與測(cè)量選擇模塊；COUNT為基準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率計(jì)數(shù)器模塊。

被測(cè)信號(hào)脈沖經(jīng)CHOICE選擇后，從控制模塊CONTROL1的FX1端輸入，基準(zhǔn)頻率信號(hào)從FS端輸入，CLR是初始化信號(hào)。在進(jìn)行頻率或周期測(cè)量時(shí)，完成如下步驟:
(1)在CLR端加正脈沖信號(hào)完成測(cè)試電路狀態(tài)的初始化。

(2)由預(yù)置門控信號(hào)將STROBE置高電平，預(yù)置門開始定時(shí)，此時(shí)由被測(cè)信號(hào)的上沿打開計(jì)數(shù)器COUNT，同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)頻率信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

(3)頂置門定時(shí)結(jié)束信號(hào)把STROBE置為低電平(由單片機(jī)來完成)，在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)脈沖的上沿到來時(shí)，COUNT停止計(jì)數(shù)。

(4)計(jì)數(shù)結(jié)束后，ED1端輸出低電平來指示測(cè)量計(jì)數(shù)結(jié)束，單片機(jī)得到此信號(hào)后，即可利用SS0,SS1進(jìn)行選擇，四次分別讀回COUNT中基準(zhǔn)頻率信號(hào)和被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值，并根據(jù)上述測(cè)量公式進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率或周期值。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的單片機(jī)主控及其外圍電路模塊用Keil C語言編寫，軟件模塊對(duì)應(yīng)于硬件電路的每一個(gè)部分，還包括部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算和轉(zhuǎn)換模塊。CPLD模塊用VHDL語言編寫，并在Max+PlusⅡ平臺(tái)上，完成CPLD的軟件設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、仿真和下載。系統(tǒng)初始化后，主程序不斷掃描鍵盤子程序，當(dāng)其鍵按下時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序執(zhí)行其功能，然后返回繼續(xù)執(zhí)行鍵盤掃描主程序。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

結(jié)論

本文將智能控制靈活、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的單片機(jī)和集成度高、運(yùn)算速度快的CPLD相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，可靠性高，測(cè)頻范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。它可作為獨(dú)立的儀表使用，也可用做其他儀器儀表的組成部分。