基于单片机高性价比频率计的设计与实现

摘要：该系统以8051单片机为核心，应用单片机的运算和控制功能并采用LED显示器实时地将所测频率显示出来，既满足测量的精度要求, 又具有很好的性能价格比。
关键词：单片机  同步  频率测量

1 系统测量原理

测量方法采用多周期同步测量法，保证了测量精度。

多周期同步测量原理与传统的频率和周期的测量原理不同，时钟信号(f0)经同步电路作用后与被测信号同步。主门 与主门 在时间T 内被同时打开，于是计数器 和计数器 便分别对被测信号和时钟信号的周期数进行累计。在T内，事件计数器的累加数为Na；时间计数器的累加数为Nb。再由单片机运算得出被测频率为（Na/Nb）×f。由于D触发器的同步作用，计数器 所记录的Na值已不存正负1误差的影响。但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器 所记录的Nb值仍存在正负1误差的影响，由于时钟频率很高，正负1误差影响小，所以测量精度与被测信号频率无关，且在全频段的测量精度是均衡的。

图1 系统测量原理框图

2 系统硬件设计

在频率计设计中，硬件电路采用了8051单片机、双四位二进制计数器74LS393、缓存器74LS244、8155带RAM和定时器/计数器的可编程并行接口芯片、16K程序存储器扩展芯片2716、十倍分频器74s196、反向器74ls14、反向驱动器7406、7407等。所采用的芯片技术成熟，性能可靠，性价比较高。

系统硬件主要由四部分组成:通道部分、计数器部分、单片机控制和接口部分、显示部分。

2.1通道部分

本频率计的输入通道由两部分组成，第一部分就是常见的信号预处理电路，包括对被测信号的放大、整形、滤波等等。第一级由开关三极管构成的零偏置放大器，三极管采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应。第二级是由74LS14施密特触发器构成的电路。施密特触发器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的单相脉冲信号转换成与TTl/CMOS兼容的方波信号。另一方面其滞后带宽可以有效抑制信号中的干扰。第三级是由74ls196构成的分频器电路。本机设计测频范围20HZ～100MHZ，当被测频率大于10 MHZ时，需经分频电路分频后再送入计数器电路。第四级是由4N25构成的光电隔离电路，用于把输入的电信号转化为光信号进行传输，从而把测量电路与外界干扰隔开，能有效地保证测量精度。

第二部分是同步门电路，它的作用是保证被测信号和频率基准信号同时进入测量电路。其构成主要包括由与门组成的主门I和主门II，以及由D触发器构成的同步门控制电路，主门I控制被测信号fx的通过，主门II控制时钟信号f的通过。

2.2计数器部分

计数器包括时间计数器和事件计数器两部分，它们是完全相同的计数电路。分别由前后两级组成，前级电路由高速的TTL计数器74LS393构成八位二进制计数器；后级由单片机内的计数器构成十六位二进制计数器。计数前，先由P1.3发计数器清零信号，计数后通过74LS244 缓冲器将测量结果读入内存。这样设计既充分利用了硬件资源，又大大提高了测量频率范围。

图2 计数器电路图

2.3 单片机控制和接口部分

8051单片机的任务是进行整机测量过程的控制、故障的自动检测以及测量结果的处理与显示等。

P1口与P2 口被用于施加各种控制信号，其中：P1.0 作为预置闸门时间的控制线；P1.1作为同部门控制电路的复位信号线；P1.2用于查询闸门时间的状态线；P1.3作为计数器复位信号线。

单片机内部有两个16位二进制定时/计数器，用做两个主计数器的一部分，并通过T0,T1分别与外部事件计数器和时间计数器的进位端相接。外部的时间计数器和事件计数器的测量结果分别通过扩展输入口与P0口相连。

8155作为单片机的扩展I/O口，主要用来与显示电路接口， 8155内部的14 位计数器被用来作为本机的闸门时间计数器，定时器的输入信号取自单片机ALE端；定时器的输出与单片机的INT1相连，作为中断信号。

2.4 显示部分

采用8 位LED数码管进行显示。这是一个较为典型的采用8155并行口组成的显示电路。八位LED显示采用了动态显示软件译码工作方式。LED显示器选用共阴极，段码由8155PA口提供，位选码8155PB口提供。其中7406反向驱动器做作为位选码驱动器，这是因为8155PB口正逻辑输出的位控与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反，即当PB口位控线输出高电平时，点亮一位LED。7407是同相驱动器，作段选码驱动器。

3 系统软件设计

软件采用汇编语言编写，应用模块化设计方法，主要包括中断监控服务程序，数值比较子程序，数据处理子程序，十进制转换子程序，LED显示子程序。主流程图如下：

图3 程序主流程图

程序编写较难的部分是数据处理部分，它涉及到多字节的乘除法。因为乘数和被乘数各为三字节，因此需要进行九次乘法运算，得到九个部分积。我们知道MUL AB 指令，把累加器A和寄存器B中的两个无符号8位数相乘，所得的16位乘积结果，低位字节放在A中，高位字节放在B中。假定部分积的高字节以“H ”为标志，部分积的低字节以“L”为标志，还要对相加产生的进位进行处理。 

下图为乘法的具体实现过程的示意图：

图4 乘法运算示意图

乘法运算程序的关键段如下:

   MOV A，R6

   MOV B，R3  

   MUL AB             ；得第一次部分积

   MOV O8H，A         ；得乘积的第六字节

   MOV 09H，B         ；R3R6H

   MOV A，R6

   MOV B，R2   

   MUL AB             ；得第二次部分积

   ADD A,O9H          ；R3R6H+R2R6L

   MOV 0BH，A

   CLR A

   ADDC A，B          ；R2R6H+C

   MOV OAH，A

   MOV A，R6

   MOV B，R1

   MUL AB             ；得第三次部分积

   ADD A，0AH         ；R2R6H+R1R6L

   MOV OCH，A

   CLR A

   ADDC A，B          ；R1R6H+C

4 结束语

该系统结构简单，与传统的电路相比，该系统处理速度快、稳定性高，采用多周期同步测量法实现全频段的频率精确测量，具有较高的性价比。

本文的创新观点是计数器和定时器分别由前后两级组成，前级电路由高速的TTL计数器74LS393构成八位二进制计数器；后级由单片机内的计数器构成十六位二进制计数器，大大提高了频率计的测量范围。

参考文献

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