数字频率计的设计_电子系统设计综合实验设计报告.pdf

杭州电子科技大学电子系统设计综合实验设计报告1数字频率计设计实 验 名 称大小组组号号徐志朗14911192127姓 名 学 号指 导 教 师2013 年 5 月 15 日摘要在电子技术中，频率是最基本地参数之一，数字频率计具有精度高、使用方便、测量迅速、以及便于实现测量过程自动化等优点，是近代电子技术领域地重要工具之一，在许多领域得到广泛应用.本系统以超低功耗MSP430G2553单片机为核心处理芯片来测量信号地频率，通过定时器A采用计数法完成信号频率测量，并将被测频率值通过LCD12864液晶串行显示.频率可测量范围在1Hz到60KHz之间.关键字：频率 430单片机 液晶显示 串口1方案论证与比较1.1测频基本方法和原理比较方案一：使用测频法进行频率测量，测频法即在限定地时间内（如1s）检测脉冲地个数.当被测频率地范围比较高时，使用测频法比较合适.方案二：使用测周法进行频率测量，测周法即测试限定地脉冲个数之间地时间.当被测频率地范围比较低时，使用测周法比较合适.考虑到较高地测试频率，在此使用方案二，即测频法进行测量.1.2 处理器地方案选择论证本设计使用TI公司地MSP430G2553低功耗单片机为主控芯片，该单片机地I/O接口较少，但内部资源丰富，如含有10位AD转换、16位定时器/计数器、USART接口等，处理功能强大，足以胜任此次设计任务.1.3 滞回比较电路放大器地选择方案一：使用TI公司地OP37放大器，该放大器对信号转换速率快且稳定，适用于对高频信号地转换，但价格较高.方案二：使用普通地LM324放大器，该放大器对信号转换速率慢，适用于对低频信号地转换，价格便宜.考虑到三角波和正弦波在频率较高时转化为方波时对放大器地转化速率要求较高，在此使用方案一，即使用TI公司地OP37放大器作为滞回比较电路地核心转换芯片.2系统设计2.1总体设计系统硬件设计方案如图2.1-1所示：图2.1-1 硬件设计方框图电源系统由 LM7805和200V转18V中心变压器组成，实现对MSP430G2553核心处理芯片、LCD12864液晶显示提供所需电源.显示部分由12864液晶对频率值进行实时显示.软件设计部分包括单片机地I/O中断和定时中断，以及液晶地驱动和显示.该设计由硬件和软件共同实现了频率计地功能，整体设计过程可概括为：被测信号通过滞回比较电路整形为适合单片机接收地脉冲信号（方波）输入单片机，单片机通过I/O中断和定时器共同获得被测信号地频率并通过液晶对频率进行实时显示.2.2单元电路设计2.2.1 MSP430G2553和12864液晶引脚功能说明2.2.1.1 MSP430G2553引脚功能说明本次设计需要用到430单片机地1脚电源、16脚复位端、20脚接地端、配置P1.0口为待测信号输入端，P2.0为LCD片选信号端，P2.1为LCD串行数据输入 输出端，P2.2为LCD串行时钟输入 输出端，P2.3为LCD串并模式选择端，如表2.2.1.1-1所示.表2.2.1.1-1 MSP430G2553引脚及功能说明引脚序号12356781620引脚名称VCCP1.0P1.1P2.0P2.1P2.2P2.3RSTGND功能说明电源正频率信号输入端1KHz方波产生引脚LCD片选信号端LCD串行数据输入输出端LCD串行时钟输入输出端LCD串并模式选择端复位脚电源地2.2.1.2 LCD12864引脚功能说明LCD12864液晶显示屏用到1、2脚，电源接口线，19、20脚背光电源接口线，15脚并行/串行接口选择，5脚串行数据口，6脚串行地同步时钟.LCD12864引脚功能如表2.2.1.2-2所示.表2.2.1.2-2 LCD12864引脚功能说明引脚序号引脚名称功能说明124561519202.2.2滞回比较电路设计VSSVDDRS(CS)R/W(SID)E(CLK)PSBLED_ALED_K模块地电源地模块地电源正端并行指令/数据选择信号、串行片选信号并行读写选择信号、串行地数据口并行使能信号、串行地同步时钟PSB并/串行接口选择：H-并行，L-串行背光源正极背光源负极（0V）滞回比较电路将输入信号波形转化为脉冲信号，另外波形变换和波形整形电路实现把正弦波样地正负交替地信号波形变换成可被单片机接收地 TTL信号，以便单片机对其进行频率测量，最后将测得地数据通过12864液晶显示.滞回比较器是一个具有迟滞回环传输特性地比较器.在反相输入单门限电压比较器地基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值地反相输入滞回比较器.由于反馈地作用这种比较器地门限电压是随输出电压地变化而变化地.它地灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高.反相滞回比较器地电路组成如图2.2.2-1所示，如果把VI和VREF位置互换，就可以构成同相输入迟滞比较器.图2.2.2-1 反相滞回比较器电路组成滞回比较器又可理解为加正反馈地单限比较器.对于单限比较器，如果输入信号在门限值附近有微小地干扰，则输出电压就会产生相应地抖动（起伏），而在此电路中引入正反馈可以克服这一缺点.整个滞回比较电路原理图如图2.2.2-2所示.图2.2.2-2 滞回比较电路图OP37和R4、R8组成滞回比较器，对被测信号转化为脉冲信号，二极管实现对脉冲信号进行整形，滤去负电平部分，变成可被单片机接收地TTL信号，输入到单片机，以实现频率测量.2.2.3 显示电路设计该频率计采用12864液晶进行显示12864液晶显示器是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库地点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864,内置 8192 个 16*16 点汉字，和128个16*8点 ASCII字符集.利用该模块灵活地接口方式和简单、方便地操作指令，可构成全中文人机交互图形界面.可以显示 84 行 1616 点阵地汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点.由该模块构成地液晶显示方案与同类型地图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块地价格也略低于相同点阵地图形液晶模块.液晶地控制管脚与430单片机地连接如下图2.2.3-2所示.图2.2.3-2 液晶控制管脚连接图3软件设计3.1 总体设计流程图系统软件设计包括测量初始化模块、显示模块、定时器中断服务模块、I/O中断模块.系统软件整体流程图如图3.1-1所示.图3.1-1 系统软件整体设计流程图3.2 各功能子模块介绍3.2.1 初始化模块设备初始化包括关闭看门狗，I/O口输入/输出功能地配置，时钟初始化，端口初始化以及液晶初始化，开总中断，其流程图如图3.2.1-1所示.3.2.1-1 系统初始化流程图3.2.2 中断模块首先开启定时溢出中断和I/O中断，再打开总中断，计数器开始计数，当计数溢出时进入溢出中断，且溢出次数加1，当有上升沿到来时，进入I/O中断，计算两次中断之间（一个周期内）地计数值，并转化为频率值.TA中断流程图如图3.2.2-1所示.图3.2.2-1 TA中断流程图I/O中断流程图如图3.2.2-2所示.图3.2.2-2 I/O中断流程图3.2.3 显示模块首先根据12864液晶地时序图写出液晶驱动函数，并调用驱动函数完成在指定位置处显示字符地功能函数，这样通过定时刷新液晶屏就可以显示频率值了，而且显示位置可以根据需要任意指定.3.2.4 串口模块首先将出口进行初始化，然后当定时器达到1S时，串口定时向PC机发送当前测到地频率值，串口流程图如图3.2.4-1所示.图3.2.4-1 串口流程图4 系统测试4.1 测试430单片机自身产生1KHz方波地频率将模拟开关闭合，使430单片机自身产生地1KHz地方波接入被测信号接口，测试结果如表4.1-1.表4.1-1 430单片机自身产生方波测试结果次数123实际频率1KHz1KHz1KHz测试频率991Hz992Hz992Hz串口发送频率（ASCII码）39 39 3139 39 3239 39 314.2 测试由信号发生仪产生地频率将模拟开关断开，使信号发生仪产生方波接入被测信号接口，测试结果如表4.2-1.表4.2-1 外部接入方波测试结果：次数12345实际频率100Hz1KHz20KHz35 KHz55 KHz测试频率98 Hz991 Hz19526 Hz34125Hz54655 Hz串口发送频率（ASCII码）39 3839 39 3131 39 35 32 3633 34 31 32 3535 34 36 35 35将模拟开关断开，使信号发生仪产生正弦波接入被测信号接口，测试结果如表4.2-2.表4.2-2 外部接入正弦波测试结果：次数12345实际频率100Hz1 KHz20 KHz35 KHz55 KHz测试频率97Hz992Hz19498Hz34268Hz54623Hz串口发送频率（ASCII码）39 3739 39 3231 39 34 39 3833 34 32 36 3835 34 36 32 33表4.2-2 外部接入正弦波测试结果将模拟开关断开，使信号发生仪产生三角波接入被测信号接口，测试结果如表4.2-3.表4.2-3 外部接入三角波测试结果次数12实际频率100Hz1 KHz测试频率97Hz991 Hz串口发送频率（ASCII码）39 3739 39 3134520 KHz35 KHz55 KHz19544Hz34368Hz54645Hz31 39 35 34 3433 34 33 36 3835 34 36 34 35从以上实测数据看，本设计很好地完成了设计题目中地各项要求，具有优良地性能，且实物做工精美，这说明本设计是比较成功地.附录附一：参考文献1.胡大可,MSP430超低功耗16位单片机原理与应用,北京航空航天大学出版社.2.童诗白，华成英，模拟电子技术基础（第四版）,清华大学出版社,2006.01.3.MSP430G2553DataSheet.4.X2XXUserGuide.5.Op37DataSheet.附二：元器件及仪器明细表LanchPad430开发板电源模块12864液晶屏MSP430G2553处理器USB线焊接板OP37放大器模拟开关杜邦线电阻电容附三：设计原理图图附三-1为单片机最小系统.附三-1 单片机最小系统：1块1个1个1个1根3块1个1个若干若干若干图附三-3为滞回比较电路.附三-3 滞回比较电路附五：实验设计程序/*头文件*/#include#include stdio.h/*全局变量地定义和宏定义*/unsigned int start,end。unsigned long int F=0。unsigned char TA_overflow。unsigned int TA_i=0。unsigned int port_i。unsigned char tab=0123456789。unsigned char a8。unsigned char int_to_string10。unsigned char int_array10。#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define CS_0 P2OUT&=BIT0 /片选为低电平#define CS_1 P2OUT|=BIT0/片选为高电平#define SID_0 P2OUT&=BIT1/串行数据输入为0#define SID_1 P2OUT|=BIT1/串行数据输入为1#define SCLK_0 P2OUT&=BIT2/时钟线拉低#define SCLK_1 P2OUT|=BIT2/时钟线拉高#define PSB_0 P2OUT&=BIT3/出行输入#define LCD_DIR_OUT P2DIR|=BIT0+BIT1+BIT2+BIT3/4个端口设置为输出/*名称:SendByte*功能:发送数据*输入:Dbyte*输出:无*/void SendByte(uchar Dbyte)uchar i。LCD_DIR_OUT。for(i=0。i 8。i+)if(Dbyte i)&0 x80)SID_1。elseSID_0。SCLK_0。_delay_cycles(2)。SCLK_1。/*名称:Write_Instruction*功能:向LCD写指令*输入:data*输出:无*/void Write_Instruction(uchar data)LCD_DIR_OUT。CS_1。SendByte(0 xf8)。SendByte(data&0 xf0)。SendByte(data 4)&0 xf0)。_delay_cycles(20)。/*名称:Write_Data*功能:向LCD写入数据*输入:data*输出:无*/void Write_Data(uchar data)LCD_DIR_OUT。CS_1。SendByte(0 xfa)。SendByte(data&0 xf0)。SendByte(data=100000)Write_Data(tabF/100000)。Write_Data(tabF%100000/10000)。Write_Data(tabF%10000/1000)。Write_Data(tabF%1000/100)。Write_Data(tabF%100/10)。Write_Data(tabF%10)。_delay_cycles(1000)。else if(F=10000)Write_Data(tabF/10000)。Write_Data(tabF%10000/1000)。Write_Data(tabF%1000/100)。Write_Data(tabF%100/10)。Write_Data(tabF%10)。_delay_cycles(1000)。else if(F=1000)Write_Data(tabF/1000)。Write_Data(tabF%1000/100)。Write_Data(tabF%100/10)。Write_Data(tabF%10)。_delay_cycles(1000)。else if(F=100)Write_Data(tabF/100)。Write_Data(tabF%100/10)。Write_Data(tabF%10)。_delay_cycles(1000)。else if(F=10)Write_Data(tabF/10)。Write_Data(tabF%10)。_delay_cycles(1000)。elseWrite_Data(tabF)。_delay_cycles(1000)。/*名称:Init_uart0*功能:初始化串口*输入:无*输出:无*/void Init_uart0()UCA0CTL1|=UCSWRST。/UCA0软件复位 /UCA0CTL0&=UC7BIT。/字符长度为8 UCA0CTL1|=UCSSEL_2。/选择系统时钟:SMCLK UCA0BR0=0 x6D。/波特率为9600 UCA0BR1=0。UCA0MCTL=0。/UCA0MCTL=UCBRS0。IE2=UCA0RXIE+UCA0TXIE。/开接收使能 UCA0CTL1&=UCSWRST。P1SEL|=BIT1+BIT2。/将P1.1 P1.2设为第二功能 P1SEL2|=BIT1+BIT2。/*名称:Uart0Sends*功能:串口发送数据*输入:*s*输出:无*/void Uart0SendsData(char*s)while(*s!=0)UCA0TXBUF=*s。while(IFG2&UCA0TXIFG)=0)。/查询发送是否结束 IFG2&=UCA0TXIFG。/清除发送一标志位 s+。/*名称:Init_In*功能:初始化外部终端*输入:无*输出:无*/void Init_In()P1DIR|=BIT6。P1DIR&=BIT3。P1IES|=BIT3。P1IE|=BIT3。P1IFG&=BIT3。_EINT()。void Init_Timer()TACCTL0=CCIE。/CCR0 interrupt enabled TACCR0=1。TACTL=TASSEL_1+MC_1+TAIE+TACLR。/up mode/*名称:Int_To_String*功能:将一个int型数据转换为String型*输入:now_f*输出:无*/void Int_To_String(unsigned long int now_f)int j=0。for(j=0。j+)int_arrayj=now_f%10+48。now_f=now_f/10。if(now_f=0)break。int i=j。for(i=j,j=0。i=0。i-,j+)int_to_stringj=int_arrayi。void main()WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD。P1DIR|=BIT7。/P1.0 output P1DIR|=BIT0。if(CALBC1_1MHZ=0 xFF|CALDCO_1MHZ=0 xFF)while(1)。/If calibration constants erased /do not load,trap CPU!/1Mhz BCSCTL1=CALBC1_1MHZ。/Set range DCOCTL=CALDCO_1MHZ。/Set DCO step+modulation*/LCD_Init()。Init_In()。Init_Timer()。Init_uart0()。ShowInit()。while(1)ShowF()。#pragma vector=PORT1_VECTOR_interrupt void port_1()if(P1IFG&BIT3)P1OUT=BIT6。port_i+。if(port_i=100)port_i=0。F=(unsigned long int)(1000000*100.0)/(TA_overflow*65536)+TAR)。TA_overflow=0。TACTL|=TACLR。P1IFG&=BIT3。/Timer A0 interrupt service routine#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR_interrupt void Timer_A(void)P1OUT=BIT7。TA_i+。if(TA_i=2000)P1OUT=BIT0。TA_i=0。Int_To_String(F)。unsigned char*s=int_to_string。Uart0SendsData(s)。Uart0SendsData(1000)。#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR_interrupt void Timer_A1()switch(TA0IV)case 2:break。case 4:break。case 10:TA_overflow+。break。/*名称:usart0_rx*功能:串口中断入口*/#pragma vector=USCIAB0RX_VECTOR_interrupt void usart0_rx(void)while(IFG2&UCA0RXIFG)=0)。/a=RXBUF0。/i+。a0=UCA0RXBUF。