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基于MSP430单片机的高精度数字频率计设计
中南大学物理与电子学院 李联炳 马晓婷【摘要】在电路设计中，频率是一个常被使用的量，目前很多示波器也增加了测频功能，但市场上鲜有体积小、精度高的数字频率计。基于MSP430F425单片机，设计出了一款体积小且精度高的多功能数字频率计，可完成对信号频率、周期、脉宽、占空比的测量。整个系统主要由放大整形、数据处理、LCD显示三部分组成。在低频段，系统采用“周期法”测频，在高频段则采用“闸门法”，测频相对误差低至0.006%。同时，为适应不同的应用场合，提出了一种测频精度可调的系统。
【关键词】MSP430F425；高精度；测频
High-precision digital frequency meter design based on MSP430 micro controller
LI Lian-bing MA Xiao-ting
（School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, China）
Abstract：In circuit design, frequency is a commonly used quantity, so far in the market，there are many oscilloscopes with the frequency measurement function, but we can seldom see digital frequency meter in the market. Based on MSP430F425 micro controller, the design is devised with small volume, high precision and multi-function digital frequency meter, and it can be used in the measurement of signal frequency, period, pulse width，and duty cycle. The whole system mainly consists of voltage amplify and waveform shaping, data processing, and LCD display . At low frequency band, the system uses the "period method" frequency measurement，while at high frequency band，it uses the"gate method" , with which the relative frequency measurement error can be controlled below 0.006%. In order to adapt to different applications, we also proposed an adjustable frequency measurement accuracy system.
Keywords：MSP430F425；High-precision；Frequency measurement
引言
MSP430系列单片机是TI公司推出的一系列优秀的混合型微处理器产品，全系列的MSP430单片机都带有一个16位的定时器，可用于精确定时、计数。相比STC51系列单片机，MSP430系列单片机的定时器还具有多个捕获/比较模块，在无需CPU干预的情况下，能自动根据触发条件捕获定时器的计数值，或自动产生各种波形。
在电路设计中，频率是一个常被使用的量，目前很多示波器也增加了测频功能，但市场上鲜有体积小、精度高的数字频率计。利用MSP430F425单片机内部的定时器，本文系统地阐述了基于MSP430系列单片机的测频原理，并设计出了一个精度可调的大范围频率测量系统。
1.测频原理
在被测信号频率较高（MHz级别）时，MSP430单片机用Timer_ A定时器或BasicTimer定时器进行1s的精确定时，并在此期间对被测方波信号的脉冲个数进行计数，所得的结果即为被测信号的频率。此外，还可以通过增加“闸门”的开放时间来提高测频精度。但在被测信号频率较低时，特别是在1KHz以下，该方法便不可行。例如，要测量50Hz的方波信号时，要实现0.01Hz的测频精度，需要产生100s的“闸门”信号，这样长的测量时间在实际应用中是不可行的。
针对这一问题，在被测信号频率较低（几十赫兹至几千赫兹）时，我们利用MSP430单片机的捕获/比较模块进行测频。具体方案为：Timer_A的主计数器工作在连续计数模式，捕获模块设置为上升沿或下降沿触发，在捕获中断服务程序中读取计数器的值并保存，相邻两次捕获中断发生时，捕获值之差即反映了被测信号的周期信息。对于捕获期间计数器溢出的情况，只需记录溢出次数即可解决。
2.系统组成及设计
数字频率计系统的原理框图如图1所示。可见，整个系统由放大整形模块、单片机最小系统、按键输入模块以及液晶显示模块组成。其中，放大整形电路用于将微弱信号放大并将正弦波整形为方波，以供给单片机进行边沿检测。MSP430单片机对送入的方波信号进行测频，并进一步计算出输入信号的周期、脉宽、占空比，这些信息通过键盘进行人机交互控制由单片机送去给LCD1602显示。为了减少对I/O口资源的占用，采用矩阵键盘，分别实现对频率、
周期、脉宽、占空比的切换显示以及“闸门”信号的时长设置。
图1 数字频率计系统组成
图2 波形变换电路原理图
2.1 硬件设计
1）放大整形模块
放大电路是将微弱信号放大，可用VCA810等增益可调放大器实现。而整形电路是将正弦信号整成单片机所要求的脉冲信号的电路，该部分可用高速比较器LM311设计成滞回比较器，后接两个反相器，最后连接一个3.3V的稳压管即可将高电平为3.3V的方波信号送给单片机检测，电路原理图如图2所示。LM311是能工作在5V-30V的高速比较器。其输出兼容RTL、DTL、TTL以及MOS电路。此外，他们还可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
2）单片机最小系统
本设计直接在MSP430开发板上进行，由于该系统仅采用一个MCU进行数据处理和系统控制，因此单片机外围电路非常简单。采用“闸门法”测频时，让经过整形后的被测信号从TACLK管脚输入，采用“周期法”测频时，让信号从TAx管脚输入。由于MSP430单片机有较多的I/O口，如MSP430F46xx系列单片机有80多个I/O口，x13x、x14x系列也有48个I/O口，所以可以选任意一组I/O 口接矩阵键盘和LCD1602，只要不占用上述的两种管脚即可。
3）键盘输入模块
独立键盘与单片机连接时，每一个按键占用一个I/O口，而单片机的I/O口资源是有限的，为节省I/O口端线，设计采用矩阵键盘。其软件设计可分为三个步骤：①检测当前是否有按键闭合；②去按
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键抖动；③若有键闭合，检测出是哪一个按键闭合。本设计的键盘扫描查询方式为行扫描法，键盘的电路原理图如图3
所示。
图3 矩阵键盘电路原理图
图4 LCD1602电路原理图
4）显示模块
本设计的显示模块由16引脚LCD1602液晶屏构成，为便于对比度的调节，在第三个引脚（Vo 端）与电源VCC 之间接了一个电位器，8个数据口与三个控制端口直接与MSP430单片机的I/O 口相连，该模块的电路原理图如图4所示。
需要注意的是，目前市场上的LCD1602液晶屏多为5V 电压驱动的，而MSP430单片机的I/O 口标准电压为3.3V ，直接相连也有可能显示，但这样的显示系统是不稳定的，所以二者相连接时要考虑电平兼容的问题，要么直接购买3.3V 驱动的LCD1602，要么通过74LVx4245等逻辑电平转换芯片间接相连。2.2 软件设计
频率、脉宽的测量以及周期、占空比等的计算都由单片机完成，因此软件设计是数字频率计的核心。
1）“闸门法”测频
被测信号频率较高时，采用“闸门法”测频，其程序流程图如图5所示。测频开始后，BasicTimer 产生1s 的精确定时，同时主计数器开始计数，CPU 处在休眠状态等待基础定时器唤醒，当主计数器产生溢出中断时，记录溢出次数的变量自增一次，当BasicTimer 的定时中断发生时，读取主计数器的值以及溢出次数即可计算出被测信号的频率，随后溢出次数清零，主计数器重新开始计数，单片机将频率、周期信息送去给LCD1602液晶屏显示。
2）“周期法”测频
被测信号频率较低时，采用“周期法”测频，其程序流程图如图6所示。捕获/比较模块设置为上升沿或下降沿捕获。当主计数器发生溢出中断时，记录溢出次数的变量自增一次，当捕获中断发生时，读取当前计数器的值、溢出次数以及保存的前一次捕获值。由这三个量和时钟源频率即可确定被测信号的频率。如果将程序设置为上升沿下降沿均捕获（CM_3），则相邻两次捕获值之差即反映
了输入方波信号的脉宽。
图5 “闸门法”测频的程序流程图
3）“闸门”时长可控的大范围测频
以上两种方法是分开使用的，然而实际应用中往往要求频率计有较大的测频范围。因此，可以让FPGA 与MSP430单片机联合测频，二者的I/O 口高电平均为3.3V ，所以共地后可以直接相连。在此方案中，FPGA 负责脉冲次数的统计及存储，而MS430单片机负责“闸门”信号时长的控制和显示控制，用户根据被测信号的频率可直接通过键盘增大或减小“闸门”的开放时间，以实现大范围、高精度、高效率的频率测量。其系统框图如图7所示，实物图如图8
所示。
图6 “周期法”测频程序流程图
图7 “闸门”时长可调的大范围测频系统框图
图8 “闸门”可调的数字频率计
（下转第187页）
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调试，包括用Windows超级终端对GPRS模块进行AT命令测试，模块对AT命令的响应，收发短信模式， TCP/IP数据传输等功能的测试。调试中，经过反复测试发现将短信直接转发到TE的方式实时性最高，最为便捷，但是可靠性不高，经常出现短信丢失的状况。经过多次实验和比较后，本系统最终采用了短信息先储存后通知TE的方式，在微控制器程序设计中通过即时响应串口中断接收到短信到达通知后以指定序号的方式读取短信内容，既保证了短信的可靠接收，又具有较高的实时性。
4.2 系统联调
系统联调是用来确保系统的各个模块之间彼此能够正确地相互作用和传递数据，是在单元调试的基础上，按照数据流向进行的整体功能的调试。由于各单元模块调试过程中，各个模块单独运行的性能已基本稳定， 联调过程中主要针对各个模块之间的衔接会出现的问题和模块之间的影响加以测试和处理。
本系统中各个模块之间的接口设计大部分都是采用通用标准，如微控制器与GSM/GPRS通信模块之间的数据接口采用的是UART 接口，服务器与前端/终端之间的通信方式是标准socket通信等，因此系统中不存在各部分之间接口衔接的问题。在联调过程中主要发现并解决了在GPRS长连接状态下， GPRS网络连接长时间没有数据通讯时，通讯链路被自动“挂起”的问题，采用通信服务器定时向客户机（包括车载前端和监控/跟踪终端）发送心跳数据的方法来保持网络连接，提高了系统的可靠性。
5 结束语
本系统采用SMS和GPRS相结合的通信方式，充分发挥了GSM无线网络覆盖面广，SMS使用灵活、点对点传输没有网络限制的特点，以及GPRS无缝连接、传输速率高、永远在线的优势，不仅解决了在移动网络非常忙的情况下容易发生的短消息堵塞问题，同时又避开了单一GPRS方式下的防火墙、固定IP地址的需求等问题，使得整个系统的通信成本大大降低，同时实时性和可靠性也得到了较大的提高。系统经过多次反复测试和实验，各项技术指标达到设计要求，满足了用户提出的各种性能指标和特殊要求，通过了用户验收。
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作者简介：
林天亮（1967—），男，辽宁大连人，学士，工程师，主要研究方向为计算机应用技术、多媒体网络教学等。
（上接第184页）
3.测量结果
“闸门”可调的数字频率计，其测频结果如表1所示；从表中数据可知，当“闸门”信号的时长一定，被测信号为1MHz时，测频的相对误差在为0.02%左右，而在数十兆赫兹时，相对误差在0.006%左右，可见“闸门法”适用于测量较高频率的信号。
表1 “闸门法”测频结果
输入信号频率测量结果相对误差输入信号频率测量结果相对误差1MHz1000268Hz0.0268%30MHz30001491Hz0.0065%
1.2MHz1200267Hz0.0223%48383900Hz48387076Hz0.0066% 1333333Hz1333640Hz0.0230%55984554Hz55987992Hz0.0061%
4.结论
本文提出了一个基于MSP430单片机的高精度频率计系统。单片机的定时器与比较/捕获模块的配合使用可实现对输入信号频率的快速高精度测量，且整个系统结构简单，易于实现。但此测量方法也存在一定的局限性，如选用MSP430F42x系列单片机时，通过TAx管脚输入信号的频率不能超过10MHz，这限制了频率计的使用。如果要实现对频率信号地精确测量，可以将MSP430单片机与FPGA配合使用，FPGA实现对信号的频率、脉宽、相位差的测量，而单片机实现对数据的处理和人机交互，这将大大提高频率计的适用范围，其功能也更加丰富。
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作者简介：
李联炳（1995－），男，云南丽江人，中南大学物理与电子学院电子信息科学与技术系本科生。
马晓婷（1995－），女，浙江嘉兴人，中南大学物理与电子学院电子信息科学与技术系本科生。
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