基于单片机和FPGA的高速测频系统的开发

ByGrith4

4 a4 j6 m% D3 x( ~5 c! v/ F摘要:本文介绍了一种以FPGA为测频核心处理芯片、单片机(C8051F020)为数据处理器的高速测频系统的设计方法,并详细
地介绍了系统的组成,给出了FPGA的仿真结果,实验结果表明,该方案完全符合设计要求。
关键词:单片机;FPGA;高速测频
2 J+ x9 j; y; Y  h引言
. L: c; c8 i: S& p4 l* ?9 n* c6 f频率测量是电子测量领域中最基本的测量之一。在所有的
9 P5 z' }/ t& R  e) F电子测量中,频率测量的精确度是最高的,为此,广大科研工作
( g5 F  W$ ]1 T# x+ U/ Q* ~# a者在科学技术和工程的各个领域中广泛地将电子电气参数转
换为频率量来进行测量和处理。在高频系统中,其信号频率测
: o: f' x( a8 P量的准确性直接关系到系统设计正确与否。当前,由于单片机受
1 n+ p% M4 @9 y! |3 U/ V本身时钟频率和若干指令运算的限制，若单独使用它们来开发
测频系统,测频速度较慢,无法实现高速高精度测频。为满足高
频测频应变速度快、灵敏度高的要求，本文将介绍-种采用
% ]" |0 H& b* G# GFPGA (Field Progranmable Gate Aray现场可编程门阵列)结合
9 j; S+ c. F7 ~# @% OC8051F020单片机来实现高速测频的方法。
1测频原理
3 v. `3 U8 }+ b! O2 H传统的频率测量方法有两种:一是计数测频法,二是测周
期法。若想满足高精度的测量要求,必须对被测频率进行分段
- ^5 I$ H8 I: x$ w) V8 Q! n处理,对较低频率用测周期法,对较高频率用计数测频法。计数
测频法由于具有精确度高、测量迅速、使用方便、容易实现测量
* i9 }' |8 W' s* y& y% E过程自动化等- 系列突出优点,在高频系统中应用十分广泛。
5 g8 R8 X! G, t6 k计数测频法的原理如图1所示。若某-信号通过预置待测
) }, [+ x+ o, \, r' t频信号脉冲数目N,测出记数在N,脉冲数目下标准频率f的
0 f  R" W/ u7 k4 A1 F- ^脉冲数目N,根据频率定义可求出该信号的频率f,则
, [( F1 |7 H: g0 H: b但此种测量方法存在计数相对误差(即“土1 误差" )和标
准频率误差(即“频率准确度" ),其测量误差为两者之和,则
在高频系统中其测量误差主要来源于“土1误差”,因为
6 b! d" t0 L- `; [; |时基信号相当准确,标准频率误差对系统的影响很小。
) v- v% H# M8 d. Z1 H
2系统的组成与设计
2.1系统硬件组成
! V# ?5 j. k6 J4 @/ m本系统硬件主要包括单片机控制处理模块通信模块、FP-
GA测试模块和信号调理等模块等,框图如图2所示。该系统电
源由+5V直流电源提供，为稳定电源，应加0.1μF的去耦电
6 @+ u; N& ^4 f: ^/ d容。而C8051F020和EPM7128A芯片上所需的+3.3V直流电由
稳压块A1117从+5V分压而得。同样,单片机与FPGA上的每
一组电源都要加入一-对滤波电容(10μF.0.1 μF)。
图2系统硬件组成
单片机与FPGA的硬件接口采用独立工作方式，系统上电
. ^: Y2 U, x6 O9 k复位后FPGA接收经过处理了的待测频信号f,通过内部脉冲
+ \& z7 G8 i% o$ J2 j5 T. Q) l计数模块得到时间数据然后通过与C8051F020单片机相联的
20个I0端口把时间数据传给C8051F020单片机,单片机读取
9 L( H; Q& {. }6 s端口数据后进行存储和数据计算处理并把处理后数据传给PC
机或PDA(Personal Digital Assistant个人数字助理)。
2.2各模块的功能和实现方法
: S* s! g) Q% j单片机控制、处理模块由一片由Silicon Laboratories公司生



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在高频系统中,其信号频率测量的准确性直接关系到系统设计正确与否