基于单片机和FPGA的高速测频系统的开发

ByGrith4

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
引言
频率测量是电子测量领域中最基本的测量之一。在所有的
: \# X) p0 G2 z1 m+ T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
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
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
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
" G  w+ O4 Q5 Q' Q" {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
5 M$ S2 b# q8 u4 p3 }) b3 x* I频测频应变速度快、灵敏度高的要求，本文将介绍-种采用
! }$ I" d) _7 t1 ?: _! Q5 SFPGA (Field Progranmable Gate Aray现场可编程门阵列)结合
4 l6 L' ]7 a2 o3 {; e( |& D3 TC8051F020单片机来实现高速测频的方法。
1测频原理
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
% E8 p( [0 w" S, U1 t$ q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
1 [4 C) K4 w8 T7 d过程自动化等- 系列突出优点,在高频系统中应用十分广泛。
计数测频法的原理如图1所示。若某-信号通过预置待测
2 o# W  Q6 D: ~( }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
, A6 z+ [# [0 n$ F$ Y# s- H9 O脉冲数目N,根据频率定义可求出该信号的频率f,则
但此种测量方法存在计数相对误差(即“土1 误差" )和标
/ G0 H) U' i  q5 \6 B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
时基信号相当准确,标准频率误差对系统的影响很小。

# L$ K/ k" G( S9 }: u$ a; E, t2系统的组成与设计
6 ?/ m9 e/ v7 r8 c2.1系统硬件组成
本系统硬件主要包括单片机控制处理模块通信模块、FP-
3 x' `: i2 }0 o' j/ dGA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
9 r1 K) R4 {+ E+ A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)。
9 I) R" L! l, p1 @3 {2 K6 i图2系统硬件组成
* H5 y6 i. b: T( Q单片机与FPGA的硬件接口采用独立工作方式，系统上电
; w* A0 H6 t" V1 A' O复位后FPGA接收经过处理了的待测频信号f,通过内部脉冲
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
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
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