基于单片机高性价比频率计的设计与实现

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。 　　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。　　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。　　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：　　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 ”