第 卷 第 期年 月南京工程学院学报(自然科学版)Journal of Nanjing Institute of Technology (Natural Science Edition )Vol. ,No. Dec., 文章编号: ( )基于A T C 的智能频率计设计收稿日期:作者简介:邵祥兵( ),男,在职硕士研究生,工程师,主要从事仪器仪表及自动化技术应用研究与开发.E m ail :xbshao .com邵祥兵 赵建峰(南京工程学院自动化系,江苏 南京, )摘 要:Freq DF 是一种基于A T C 单片机设计的自适应时标选择嵌入式智能频率计.它采用模糊集合算法编写自适应时标选择程序,以UART 方式发送测量数据.具有最小硬件支持(单片 ),可方便地嵌入到用户系统中,自动完成频率信号的测量、显示,以及与用户系统之间的实时数据传输.测量范围 . Hz ～ MHz ,TTL 信号,测量结果与通用频率计的测量完全一致.关键词:频率计;单片机;嵌入式系统中图分类号:TP 文献标识码:BThe Embedded Design of the IntelligentCymometer B ased on AT CSHAO Xiangbing ZHAO Jianfeng(Dept.of Automation ,Nanjing Institute of Technology ,Nanjing ,China )Abstract :The Freq DF is a kind of self 2adapted embedded intelligent cymometer based on A T C .Its time standard selective programs are based on fuzzy arithmetic and the measured data are output in accordance with the UART model.The Freq DF can be embedded into users’systems.Its function includes measuring and displaying the fre 2quency signals ,and transmitting real time data between users.Its measurement ,identical with that of the common fre 2quency meters ,is from . Hz to MHz ,and it’s adapted to TTL signals.K ey w ords :cymometer ;single 2chip microprocessor ;embedded design system1 引言信号频率测量一般均按照频率的概念设计实现,并且大多使用专用频率测量芯片(如ICM 、ICM 等)[ ].由于这些专用芯片不具有智能接口,如果希望将该芯片嵌入到用户应用系统中来完成某一频率信号的智能化测量,显示和测量数据传输等功能时将是十分困难的.本文介绍一种自行设计的基于单片机A T C (以下简称 )的嵌入式自适应时标选择智能频率计,它具有最小的硬件支持(单片 ),可以方便地嵌入到用户系统中,自动完成频率信号的测量、显示,以及与用户系统之间实时数据传输功能.本频率计的输入信号为 . Hz ～ MHz ,标准TTL 电平频率信号.2 设计思想嵌入式设计一般具有三种形式:系统级、板级和芯片级[ ].本频率计设计就是基于芯片级的设计思想来实现的.是Atmel 公司开发的简约型MCS 系列单片机,它具有完全的 单片机内核,兼容 指令系统.在硬件资源上有 个I/O 端口线可供用户直接使用,同时,其P 端口线还都具有第二功能,即两个串行I/O 端线,两个外部中断I/O 端线,两个定时器/计数器I/O 端线等.这些基本资源为本频率计的设计提供了硬件保障[ ].在本频率计设计中,使用 的计数器T 作为待测频率信号的脉冲输入计数部件,定时器T 作为自适应时标控制部件.每次新的测量都是基于前次测量结果为预测输入量,然后根据模糊集合算法,得到自适应选择时标的合适参数.读取在该时标下T 的计数值,通过对该数据进行计算处理、数制转换处理等,将测量结果以十进制数据形式显示在L ED 数码管上,同时,通过串行数据传输线向用户系统以异步串行方式传输该测量结果.3 硬件设计[ , ]本设计基于芯片级嵌入式思想,充分利用 本身硬件资源,形成最小硬件系统,如图 所示.图中P 端口的 个端子作为L ED 显示器的段码控制端,P 端口的P . 、P . 、P . 、P . 作为位控制端. 的I/O 端口低电平灌电流达 mA ,可以直接作为L ED 数码管的位驱动端线.然而,它的高电平拉电流输出能力却十分有限,因此需要使用上拉电阻(R ～R ,阻值为Ω)来扩展其电流输出能力.这里,L ED 显示部件选用共阴型、高亮度数码管.图 硬件原理框图在本频率计的硬件中,直接使用 的P . (Txd )作为与用户异步串行通讯的端口,默认用户也是TTL 电平信号,因此可以直接连接,实现测量数据的传输.4 软件设计[ , ]本频率计设计采用自适应时标选择方式,根据待测信号的频率大小,采用模糊集合算法,得到合适的控制时标,以满足测量精度和测量反应速度综合指标要求.软件程序采用模块化设计技术,设计思想清晰46 南京工程学院学报(自然科学版) 年 月图 主程序模块流程图 T 中断服务子程序流程明了 为以后系统在功能上的开发提供了支持 也为用户将此频率计软件直接嵌入到用户系统中提供了方便 同时注意了程序执行顺序细节上的偏差 消除了测量过程引起的相对误差. 主程序模块设计本频率计采用主体模块管理下的单元功能模块设计风格,如图 所示.在主体模块中完成对定时器/计数器T 和T 、串行口的设置和复位后缓冲区数据初值的设置,以及各种程序运行标志位初值的设定工作.T 、T 模块程序完成对待测信号脉冲计数、时标选择控制以及自适应选择时标的功能.在主管理模块中,还完成对频率采集数据的计算处理、数制转换、数据传输,以及调用显示模块显示测量结果等功能.56第 卷第 期 邵祥兵等:基于A T C 的智能频率计设计 本模块单元是系统的核心管理部分,为使动态显示时不出现闪烁现象,程序要求不重复计算采集的频率数据,因此,在每次计算结束以后都清除新采集数据标志位(在每次采集到新数据时置位).. 频率信号计数模块程序设计最高计数频率为时钟信号频率的 / ,在工作时钟为 MHz 时,它能对外部脉冲信号的最高计数频率为 MHz.本频率计预定时标最小值为 . s ,最大值为 . s ,在这个时标区间里,应用模糊集合算法得到合适的时标参数.在最小时标 . s 时,对最高频率( MHz )的待测信号最大计数是 ,因此,可以采用T 为 位计数器工作方式(计数最大值为 ),能够确保在最小时标测量状态下T 计数器不溢出.实际应用中,待测信号的频率是随机的,智能测量仪表要求系统能够根据待测信号的频率大小完成时标的自适应选择.待测信号频率一定时,时标过大,T 计数值就会溢出,这时,系统能够自动判别,依据模糊理论控制算法,缩小时标,直到满足测量要求或达到最小时标.由前面的分析知道,待测信号在最小时标时,T 计数器理论上应当不会溢出,如果这时T 仍然有溢出,说明输入待测信号的频率已经超出了指标允许范围,系统给出错误信息指示.该功能由T 的中断服务子程序来完成,程序流程如图 所示. . 时标自适应选择模块程序设计本模块程序采用模糊集合算法思想编写,与前面的T 中断服务程序一起完成对时标的自适应选择.根据模糊控制原理,每次测量之前,依据前次对待测信号的采样结果,得到模糊控制器的输入变量,并将此变量的精确值模糊化,再根据模糊输入变量及模糊控制规则计算模糊控制量,将模糊控制量再进行非模糊化,即可得到精确控制量,这个精确控制量即是所要得到的控制时标.这样使得测量时标一直处于一个合适的状态,使T 的计数值在满量程的 %以上,测量精度保持在较高的水平.在本模块中,实现了时标与计数值的优化选择.这样,随着待测信号频率的不同,系统自动选择一个合适的时标值与之对应,达到了测量精度和测量反应速度综合指标的提高.该模块T 中断服务程序的软件流程如图 所示.. 动态显示模块程序设计由于 端口引出线数量的限制,本频率计采用 位L ED 数码管显示测量结果.为了能在 . Hz ～ MHz 的测量范围内有效且高精度地显示测量结果,采用动态浮动显示方式,数据显示单位为千赫兹(kHz ).在 . kHz ～ . kHz 之间,首位为 时,显示自动消隐,小数点左移,使得显示总是保持 位有效数字.在数据小于 Hz 时,显示格式为3.3其中, 表示显示结果乘以 ,显示单位仍然是kHz.. 数据传输模块程序设计在本设计中,数据传输约定采用异步串行通信方式,每帧数据中包含 个起始位、 个数据位、 个奇偶校验位和 个停止位.波特率为 bps.采用ASCII 字符格式,如下:33333333%其中,“ ”代表本次测量数据传输的开始符,“%”代表本次测量数据传输的结束符,“3”代表实际要66 南京工程学院学报(自然科学版) 年 月图 T 中断服务子程序流程传送的十进制数据的字符 ～ ,前 个“3”是整数部分,后 个“3”是小数部分,单位为kHz.由于 C 内部只有两个定时器/计数器,因此,这里在数据传输时要改变T 的工作方式为波特率发生器方式,传输完成以后,再改回原来的定时器工作方式.5 嵌入式应用及量程扩展技术本频率计是基于嵌入式思想设计的,它可以嵌入到用户系统中去,用于对某一频率信号的测量、显示和数据传输等工作.但是,其 . Hz～ MHz的测量范围使其应用场合受到了限制,因此,在需要较大测量范围的时候,可以在信号输入的前级增加一个十分频器或一个百分频器(例如,选用甚高速器件的同步双十进制计数器 F ,其工作频率可达 MHz,做分频器使用),这样可以使得本频率计能够测量 . Hz～ MHz或 . Hz～ MHz的信号频率.当然,扩展量程以后,由于显示器位数的限制,显示有效数字的的精度将有所降低.如果既要保持测量精度,又要扩大量程范围,可以使用Atmel公司产品A T C 单片机代替A T C ,它具有更多的I/O端口引出线( 根).例如,使用端口P 或P 读取 位二进制计数器(例如,选用甚高速器件同步双二进制计数器 F ,工作频率可达 MHz,做分频器使用)的输出,与T76第 卷第 期 邵祥兵等:基于A T C 的智能频率计设计 计数器一起组成24位计数器.这样就可以消除低位读数因舍去带来的误差,而且还可以增加显示有效数字的位数,能够定点显示出 . Hz ～ MHz 的数据.6 误差分析[ ]采用本设计思想研制的频率计,影响其测量精度的主要因素在于系统时钟信号的性能和温度稳定性.在要求精度高的场合,可以选用超高精度的 MHz 晶体振子TCXO 器件,它具有对温度进行自动补偿的功能,稳定性可达± ppm.引起误差的另一个因素,就是在闸门的启闭时标周期(Tg )内,输入信号是随机的,T 的计数值(N )有± 个的误差,此属于系统量化误差r ,则有r /N /T g f x其中,f x 是待测信号的频率.可见,这个误差在信号频率较高的情况下,引起的相对误差较小,在信号频率低的情况下,就不能忽视这个因素了.此时,以动态扩大时标(Tg )的方法,增大计数值的绝对量N ,可以降低所引起的相对误差.表 频率实测数据对比表项 目E B 频率计测量值/kHz. . . . . . . Freq DF 频率计测量值/kHz . . . . . . . 7 结语以本文所述思想设计研制的Freq DF 频率自适应测量芯片,可以自成系统,只要配以外部时钟电路、复位电路和L ED 数码显示器件就可以组成一个能自动测量 . Hz ～ MHz 信号(TTL 电平)频率的频率计.在实际测量和应用中,本频率计达到了十分满意的测量精度.以南京电讯仪器厂生产的E B 型通用频率计为基准对比测量,测量结果见表 所示.可见,在 . Hz ～ . kHz 之间测量的结果两者具有很好的一致性.该频率计经用户多年的使用,反映良好.参考文献:[ ] 崔夏荣.一种新型频率计的设计[J ].南平师专学报, ,( ): .[ ] 王志平,熊光泽.一个多处理嵌入式实时操作系统的设计与实现[J ].计算机应用, , ( ): .[ ] 余永权.ATMEL 系列单片机应用技术[M ].北京:北京航空航天大学出版社, .[ ] 李华.MCS 系列单片机实用接口技术[M ].北京:北京航空航天大学出版社, .[ ] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M ].北京:北京航空航天大学出版社, .[ ] 冯冬青,谢宋和.模糊智能控制[M ].北京:化学工业出版社, .[ ] 杨霓清.用单片机实现精密测频的方法[J ].山东大学学报(工学版), , ( ): .[责任编校:胡可乐]86 南京工程学院学报(自然科学版) 年 月。
