基于TMS320F2812的数字频率计的设计

引 言
    频率是指某周期现象在单位时间内所重复的次数，它与时间在数学上互为倒数。时间频率的精确测量促进了科学的发展，而科学的发展又反过来把时间频率的测量提高到新的高度。特别在最近的几十年里，频率和时间的测量精度已达到非常高的水平，即已远远超过其他所有物理量的测量精度。它主要的应用领域有导航和通信两大类，以及空间技术、工业生产、交通、科学研究及天文学与计量学方面。
    为了适应现代技术发展的要求，新型的频率计中都使用了单片机进行数据处理，这样，由软件代替了复杂的硬件电路，使仪器的结构简化，功能增强。本文给出一种基于TMS320F2812(简称F2812)DSP的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，测量精度高。

1 测量方法
    常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法虽在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低，直接测周法则恰恰相反。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消除了对被测信号计数时产生的±1 Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。因此本设计采用多周期测量法作为具体的实施方案。

2 系统的设计
2．1 系统的硬件设计
    硬件系统总体框图如图1所示。被测信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为0～3．3 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。测量完成后，一方面可由键盘设置相关参数通过LCD显示测量结果，另一方面可通过RS一232传送给PC机显示测量结果。另外，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。

    本设计选用美国德州仪器公司(TI)的F2812 DSP作为核心处理单元。F2812是TI公司近几年推出的高速、高精度的工业控制DSP芯片。它运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可以达到6．67 ns以内，低功耗(核心电压1．8 V，I／O口电压3．3 V)。它采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力；外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道的12位A／D转换器，串行外围接口(SPI)，2个串行通信接口(SCI)等。其片内外设时间管理器含有2个模块(EVA和EVB)，每个模块都包括2个通用定时器，3个全比较／PWM单元，3个捕获单元和1个正交编码脉冲电路。本设计主要利用EVA中的2个通用定时器(T1和T2)，2个捕获单元(CAPl和CAP3)，EVB中的1个通用定时器(T3)。具体测量原理如图2所示。

    首先设定T3比较值(预置闸门时间为0．012 8 s)，设定T1的比较值为1，使能CAPl。然后使能T1，当其接收到一个整周期的被测信号时即可产生比较输出，同时产生比较中断，读取CAPl的栈值(即T2的初值t2_1)，清T1、T2上溢次数，使能CAP3和T3。最后当T3定时结束，借助于D触发器在被测信号的下一个上升沿到来时，切断T1的比较输出，同时PDPINTA将被置位，然后记录T1和T2的上溢次数tlofcount、t2ofcount，读取CAPl的栈值(即T2的末值t2_2)和CAP3的栈值(即T1的末值tl_2)。由所得数据计算频率，禁止T1、T2、CAPl和CAP3。频率计算公式为：

   
    注意：CAPl的捕获时基为T2，CAP3的捕获时基为T1，标准频率信号为150 MHz时钟频率的8分频。
2．2 系统的软件设计
    主监控程序是整个软件系统的总调度程序，它控制着程序的有序运行。系统在上电或复位后，主程序先调用各模块的初始化子程序，主要包括GPIO初始化、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化。系统初始化完成之后，主程序启动CPU_Timer0，使能T1、T2的上溢中断，启动CAPl，设置T1的比较值为1，等待T1CINT置位，开始测量频率。为减小测量过程中产生的随机误差，所测结果均取平均值。利用CPU_Timer0产生一定的时间段(O．6s)。该时段结束后(CPU_TimerO中断标志位置位)，即对该段时间段内记录的测量结果求均值。此时，如果查询到上位机发出接收请求，则传送相应数据至PC显示。然，后，重新初始化定时器和捕获单元，进入下一轮测量。主监控程序流程如图3所示。

    测频的部分源代码如下：

3 误差分析及测试结果
3．1 量化误差
    设被测信号的频率为Fx，其真实值为Fxe，标准频率为Fs，在一次测量中，预置闸门时间为T′，Tpr为实际闸门时间，被测信号计数值为Nx，标准频率信号计数值为Ns。
    Fx计数的起停时间是由该信号的上升沿触发的，在T′时间内对Fx的计数Nx无误差，对Fs的计数Ns假设相差N个脉冲，即|△et|≤n。
    由于Fx／Nx=Fs／Ns，Fxe／Nx=Fs／(Ns+△et)，根据相对误差公式有：

   
    因此可以得到以下结论：
    ①相对测量误差与被测信号的频率无关。
    ②增大T′或者提高Fs，可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度。本设计方案中，预置闸门时间限定了最低的测量精度。
    ③误差分析中的n，主要由硬件切断T1PWM所需要的时间决定，为一个小整型常数。若预置闸门时间Tpr=O．012 8 s，则

   
即使n取不为l的小整型常数，仍可以使得精度维持在十万分之一以内，并且可以随着预置闸门时间的适当延长，得到进一步的提高。
3．2 测量的原理误差和标准频率误差
    本测量原理类似多周期同步测量原理，主要的原理误差来自测量即将结束时，由D触发器产生低电平跳变来切断T1PWM，从而使其产生由CAPl和CAP3同时捕获上升沿的跳变。这段时间主要是由D触发器的反应时间决定。在测量过程中，针对这部分误差，可以通过适当增加预置闸门的时间来克服，同时考虑到DSP内部高速的时钟频率，这并不会明显地增加测量耗时，但却达到了弱化此误差的影响、增加测量精度的目的。
    标准频率误差为△Fs／Fs。因为晶体的稳定度很高，标准频率误差可以进行校准，并且已将DSP内部的高速时钟频率进行了适当的分频，所以相对于量化误差，校准后的标准频率误差可以忽略不计。
3．3 测试结果
    用函数信号发生器(型号为Tektronix AFG3010；精度为O．000 1％)产生方波信号，用设计的频率计测出频率，求出误差。本测频系统的测量精度可达到O．01％。根据误差分析可知，系统的最大误差发生在预置闸门时间正好填充了整数个被测信号时，即频率为78．125 Hz或者其整数倍时，所以选择这些点进行测试。实际的测试数据如表1所列。

4 结 论
    本文着重分析了数字频率计的设计方案、硬件组成，以及采用Modbus协议实现上位机与下位机通信的软件设计。特点有：
    ①在频率测量原理方面，由于采用了多周期测量原理，消除了对被测信号计数时产生的±1个计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关，克服了传统的测频法或测周法的不足，实现了宽量程、高精度的频率测量。同时由于预置闸门时间的存在，保证了当被测频率在各频段之间来回切换时，系统反应灵敏，跟随性能好。
    ②在系统的总体设计方面，充分利用了F2812 DSP的内部资源，即使用事件管理器中的定时器、捕获单元完成频率的测量；使用PWM的输出实现自检电路的设计；使用串口通信模块完成上位机和下位机的通信。在测量结果的显示方面利用RS232，通信协议采用Modbus协议，实现下位机和上位机的通信，将测量结果在上位机中显示出来。
    本文只探讨了如何对单路信号进行频率测量，而对于多路信号，可先使其经过一个与门，通过软件判断哪一路信号，然后再运用本设计方法进行测量。针对这种情况所产生的误差问题还需作进一步的探讨，本文只给出初步的探索。