用PIC16F87X单片机实现高分辨率频率计的一种方法

1 引言

随着电子技术的迅速发展，以单片机为控制核心的控制器件，已经全面渗透到测试仪器和计量检定的各个方面。同时，频率计作为一种常用工具，在工程技术和无线电测量、计量等领域的应用十分广泛。本文介绍了一种以PIC16F87X系列单片机为控制器的高分辨率频率计的实现方法。

该方法设计的频率计主要用来测量脉冲频率。它采用LCD图形液晶显示，清晰度高，可视范围广，可外接晶体频率源，具有测量速度快、分辨率高的优点。

2 设计原理

PIC16F877A单片机内部集成有捕捉/比较/脉宽调制PWM (CCP)模块。当CCP工作在捕捉(capture)方式时，可捕捉外部输入脉冲的上升沿或下降沿，并产生相应的中断。

PIC16F877A单片机内部还集成了定时器/计数器模块，在本方案中采用其中的TMR1作为定时器，该定时器的工作原理是通过TMR1“寄存器对”TMR1H:TMR1L从0000H递增到FFFFH，之后再返回0000H时，会产生高位溢出，并且将会设置溢出中断标志位TMR1IF为I，同时引起CPU中断响应。

在均匀的脉冲序列中，脉冲频率值等于单位时间内发生的脉冲次数。根据这个原理，可以采用PIC16F87X系列单片机(本文以PIC16F877A型单片机为例)内置定时器模块TMR1计时，同时使用CCP模块的捕捉功能，每间隔n(n=1,4,16)个脉冲捕捉一次并产生中断，记录第1个和第(m-1)*n+1个脉冲到来时的定时器计时t1和tm，如图1所示。

图1脉冲捕捉示意图

用被捕捉的脉冲次数除以第1次和第(m-1)*n+1次脉冲之间间隔的时间即可得到脉冲频率值。因此，脉冲频率值计算公式为：

3 被测频率值范围

在测试过程中，需要特别注意的是，两次CCP中断的时间间隔必须大于1次中断服务的执行时间。否则，如果在中断服务程序执行时又发生CCP中断，就不能正常工作。

根据上述条件，则有：

由上式得到：

式中：

SCCP — 表示捕捉分频倍数。
fx — 表示被测频率t
TCYC —表示系统时钟周期。
N —表示中断所需最小指令周期数。
设定：SCCP=16，N=40，TCYC= 4/20MHz = 0.2 us，则： fx<2,000,000Hz

由此可知，实际频率测量范围在0-2 MHz之间。

若需测量更大频率，可以根据需要在待测频率和CPU的CCP口之间接入相应倍数的分频器，每接入一个1/n倍分频器，可测频率范围可扩大n倍(如图2所示)。如在待测频率和CCP口之间接入三个1/10倍分频器，则可测频率范围为0～2 GHz。

图2 CPU外接示意图

图3中断子程序流程图

中断服务子程序如下：

void interrupt TMR I_CCP2_ini(void)
{
if(TMR1IF==I) //判断是否定时器中断
{
TMRIIF=0; //TMR1中断标志位清0
TMR1ON=0; //关闭TMR1
TMR1L=0x00; //设置TMR1数据寄存器初始值 0x0bdc
TMR1H=0x00;
TMR1ON=1; //开启TMR1
time_count++; //定时计数器减1
}
if(CCP2IF==1) //判断是否CCP2中断
{
if(ccp_count==0)
{
TMR1IE=1; //允许TMR1中断
TMR1IF=0; //TMR1中断标志位清0
T1CON=0x30; //设置1:8分频，关闭TMR1
TMR1L=0x00; //TMR1数据寄存器清零
TMR1H=0x00;
TMR1ON=1; //开启TMR1中断
}
CCP2IF=0; //CCP2中断标志位清0
ccp_count++; //脉冲计数器加1
}
}

4.2测试过程程序

程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

测试过程程序如下：

unsigned long measure_course(unsigned char
catch_mode)
{
time_count=0; //定时计数器清零
ccp_count=O //脉冲计数器清零
GIE=1; //允许全局中断
PEIE=1; //允许外围中断
TRISC1=0; //CCP2(RC1)输入
CCP2IE=1; //允许CCP2中断
CCP2IF=0; //CCP2中断标志位清0
CCP2CON=catch_mode; //设置捕捉脉冲模式
e(); //中断开始
while(1) //等待定时中断，时间到则退出
if(ccp_count==2)
break;
di(); //中断结束

TMR1ON=0; //关闭TMR1
CCP2CON=0x00; //关闭CCP2
CCP2IE=0; //关闭CCP2中断
CCP2IF=0; //CCP2中断标志位清0
TRISC1=0; //CCP2(RC1)输出
TMR1IE=0; //关闭TMR1中断
TMR1IF=O; //TMR1中断标志位清0
PEIE=0; //关闭外围中断
GIE=0; //关闭全局中断
……
}
5 性能评价

传统的频率测量方法有两种：一是测周期求频率，这样对被测频率信号的信噪比要求高，否则就会产生较大的误差；另一种是计算单位时间内所产生脉冲数量，虽然这种方法对信噪比要求不高，但是显示分辨率受到限制，并且会产生±1的误差。

本方案摒弃了传统的测量方法，采用测量脉冲个数及计算被测脉冲所经历时间的方法，完全避免了传统方法的弊端。

在本方案中，CPU接外频标(如图2所示)，测量误差仅为时基误差，而较好的外频标的误差一般小于±10-9，因而测量结果的有效数字最少可达8位以上，使得低频测量与高频测量的有效位数一致。

6 结语

经过测试试验，使用该方法研制的频率计具有测量准确度高、使用方便、稳定可靠的优点，可应用于计量测试领域。同时由于使用软件控制，电路结构简单，使用硬件少，使得成本低廉且携带方便，因此也可广泛应用于工农业生产和居民生活中，具有推广价值。