sopceda綜合課程設計--等精度數字頻率計的設計

1、<p>　　SOPC/EDA綜合課程設計報告</p><p>　　設計題目： 等精度數字頻率計設計</p><p>　　設 計 者： </p><p>　　學 號： </p><p>　　班 級： </p><p>　　指導老師： </p>

2、<p><b>　　完成時間： </b></p><p>　　等精度數字頻率計的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨著被測信號頻率的下降而降低，在實用中有很大的局限性，而等精度頻率計不但有較高的測量精度，而且在整個測頻區(qū)域內保持恒定的測試

3、精度。運用等精度測量原理，結合單片機技術設計了一種數字頻率計，由于采用了屏蔽驅動電路及數字均值濾波等技術措施，因而能在較寬定的頻率范圍和幅度范圍內對頻率，周期，脈寬，占空比等參數進行測量，并可通過調整閘門時間預置測量精度。選取的這種綜合測量法作為數字頻率計的測量算法，提出了基于FPGA 的數字頻率計的設計方案。給出了該設計方案的實際測量效果，證明該設計方案切實可行，能達到較高的頻率測量精度。</p><p>　　

4、關鍵詞 等精度測量，單片機，頻率計，閘門時間，FPGA</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1摘 要 </b></p><p><b>　　2系統(tǒng)設計方案4</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)設計方案的選擇 5</p&

5、gt;<p>　　2.1.1 頻率測量模塊5</p><p>　　2.1.2 周期測量模塊6</p><p>　　2.1.3 脈寬測量模塊6</p><p>　　2.1.4 占空比測量模塊 7 </p><p>　　3 系統(tǒng)總體設計方案8</p><p>　　4 CPLD/FPGA測頻專用

6、模塊的VHDL程序設計9 </p><p>　　4.1 測頻模塊邏輯結構 10</p><p>　　4.2 各模塊功能和工作步驟如下：11 </p><p>　　4.2.1 測頻/測周期的實現12</p><p>　　4.2.2 控制部件設計13 </p><p>　　4.2.3 脈沖寬度測量和占空比測量模塊

7、設計14</p><p>　　4.2.4 電路顯示模塊15</p><p>　　4.2.5 數碼管的編碼表16</p><p>　　5 單片機控制與運算程序的設計17 </p><p>　　5.1 AT89C51RC單片機簡介18 </p><p>　　5.2 軟件調試系統(tǒng)19 </p>&

8、lt;p>　　5.3具體試驗過程20 </p><p>　　5.3.1 第一次測試21</p><p>　　5.3.2 第二次計算22</p><p>　　5.4 系統(tǒng)調試的方法23 </p><p>　　5.4.1 調試的軟/硬件24</p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)的仿真結果25</p&

9、gt;<p>　　5.5 設計技巧分析26 </p><p>　　5.6 系統(tǒng)擴展思路27 </p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致 謝29 </b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)設計方案</b><

10、/p><p>　　2.1系統(tǒng)設計方案的選擇</p><p>　　根據頻率計的設計要求，我們可將整個電路系統(tǒng)劃分為幾個模塊，頻率測量模塊，周期測量模塊，脈寬測量模塊，和占空比測量模塊。標準頻率發(fā)生電路采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的晶鎮(zhèn)作為標準頻率發(fā)生器。如圖所示。各模塊的實現均有幾種不同的設計方案。</p><p>　　圖2.1 頻率計組成模塊框圖</p>&

11、lt;p>　　2.1.1 頻率測量模塊</p><p>　?、僦苯訙y頻法：把被測頻率信號經脈沖整形電路處理后加到閘門的一個出入端，只有在閘門開通時間T（以秒計）內，被計數的脈沖送到十進制計數器進行計數；設計數器的值為N，則可得到被測信號頻率為f=N/T，經分析，本測量在低頻率的相對測量誤差較大，即在低頻段不能滿足本設計的要求。</p><p>　　②組合測頻法：這種方法可以在一定程度

12、上彌補方法（1）中的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路實現較復雜。</p><p>　?、郾额l法：是指把頻率測量范圍分成多個頻段，使用倍頻技術，根據頻段設置倍頻系數，將經整形的低頻信號進行倍頻后在進行測量，對高頻段則直接進行測量。倍頻法較難實現。</p><p>　?、艿染葴y頻法：其實現方式可用圖2.2來說明。圖中，預置門控信號是寬度為TPR的一個脈沖，CNT1和CNT2是兩個可控計數

13、器。標準頻率信號從CNT1的時鐘輸出端CLK輸入，其頻率為fs，經整形后的被測信號從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入，設其實際頻率為fx；當預置門控信號為高時，經整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動計數器CNT1和CNT2。CNT1和CNT2分別對被測信號（頻率為fs）和標準頻率信號（頻率為fx）同時計數。當預置門信號為低時，隨后而至的被測信號的上升沿將兩個計數器同時關閉。設在一次預置門時間Tpr內對被測信號的計數值為Nx，

14、對標準信號的計數值為Ns。則下式成立：</p><p>　　fx/Nx=fs/Ns</p><p>　　由此推得：fx=fs*Nx/Ns</p><p>　　圖2.2 等精度測頻法原理框圖</p><p>　　若所測頻率值為fx，其真實值為fxe，標準頻率為fs，一次測量中，由于fx計數的起停時間都是該信號的上跳沿觸發(fā)的，因此在Tpr時間內

15、對fx的計數Nx無誤差，在此時間內的計數Ns最多相差一個脈沖，即fx/Nx=fs/Ns，則下式成立： fxe/Nx=fs/Ns+△et </p><p>　　可分別推得 fx=fs*Nx/Ns fxe=fs*Nx/Ns+△et</p><p>　　根據相對誤差的公式有：△fxe/fxe=fxe-fx/fxe </p><p>　　經整理可得到：

16、△fxe/fxe=△et/Ns</p><p>　　因△et≤1，故△fxe/fxe≤1/Ns Ns=Tpr*fs</p><p>　　根據以上分析，我們可知等精度測頻法具有三個特點：1，相對測量誤差與被測頻率的高低無關；2，增大Tpr或fs可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度；3，測量精度與預置門寬度和標準頻率有關，與被測信號的頻率無關，在預置門和常規(guī)測頻閘門時間相同

17、而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變；</p><p>　　經過綜合考慮，結合設計需求，選用第④種方案，即用等精度測頻法來實現本設計頻率測量。</p><p>　　2.1.2 周期測量模塊</p><p>　　①直接周期測量法：用被測信號經放大整形后形成的方波信號直接控制計數門控電路，使主門開放時間等于信號周期Tx，時標為Ts的脈沖在主門開放時間進

18、入計數器。設在Tx期間計數值為N，可以根據以下公式來算得被測信號周期：</p><p>　　Tx=N*Ts經誤差分析，可得結論：用該測量法測量時，被測信號的頻率越高，測量誤差越大。</p><p>　?、诘染戎芷跍y量法：該方法在測量電路和測量精度上與等精度測量完</p><p>　　全相同，只是在進行計算時公式不同，在周期1/T代換頻率f即可，其計算公式為Tx=T

19、s*Ns/Nx從降低電路的復雜度及提高精度（特別是高頻）上考慮，本設計擬采用方法②測量被測信號的周期。</p><p>　　2.1.3 脈寬測量模塊</p><p>　　在進行脈沖寬度測量時，首先經信號處理電路進行處理，限制只有信號的50%幅度及其以上部分才能輸入數字測量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測量計數器進行測量。</p><p>　　測量電路在檢測

20、到脈沖信號的上升沿時打開計數器，在下降沿是關閉計數器，設脈沖寬度為Twx，計算公式為：Twx=Nx/fs。</p><p>　　2.1.4 占空比測量模塊</p><p>　　測一次脈沖信號的脈寬，記錄其值為Twx1，然后將信號反相，再測一次脈寬并記錄起值為Twx2，通過下式計算占空比：</p><p>　　占空比=Twx1/（Twx1+Twx2）*100%<

21、/p><p>　　3 系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　等精度數字頻率計涉及到的計算包括加，減，乘，除，耗用的資源比較大，用一般中小規(guī)模CPLD/FPGA芯片難以實現。因此，我們選擇單片機和CPLD/FPGA的結合來實現。電路系統(tǒng)原理框圖如圖所示，其中單片機完成整個測量電路的測試控制，數據處理和顯示輸出；CPLD/FPGA完成各種測試功能；鍵盤信號由AT89C51單片機進行處理，它從CP

22、LD/FPGA讀回計數數據并進行運算，向顯示電路輸出測量結果；顯示器電路采用七段LED動態(tài)顯示，由8個芯片74LS164分別驅動數碼管。</p><p>　　圖3.1 等精度數字頻率計電路系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　系統(tǒng)的基本工作方式如下：</p><p>　?、貾0是單片機與FPGA的數據傳送通信口，P1口用于鍵盤掃描，實現各測試功能的轉換；P2口為雙向控

23、制口。P3口為LED的串行顯示控制口；系統(tǒng)設置5個功能鍵：占空比，脈寬，周期，頻率，和復位。</p><p>　?、?個LED數碼管組成測量數據顯示器，另一個獨立的數碼管用于狀態(tài)顯示。</p><p>　　③BCLK 為測頻標準頻率為50MHz 信號輸入端，由晶體震蕩源電路提供。</p><p>　?、艽郎y信號經放大整形后輸入CPLD/FPGA 的TCLK。<

24、/p><p>　　4 CPLD/FPGA測頻專用模塊的VHDL程序設計</p><p>　　4.1測頻模塊邏輯結構</p><p>　　利用VHDL程序設計的測頻模塊邏輯結構如圖所示，其中有關的接口信號規(guī)定如下：</p><p>　　①TP（P2.7）：TF=0 時等精度測頻；TF=1 時測脈寬；</p><p>　?、?/p>

25、CLR/TRIG（P2.6）：當TF=0 時系統(tǒng)全清零功能；當TF=1 時CLRTRIG 的上跳沿將啟動CNT2 ，進行脈寬測試計數；</p><p>　?、跡NDD （P2.4）：脈寬計數結束狀態(tài)信號，ENDD=1計數結束；</p><p>　?、蹸HOICE（P3.2）：自校/測頻選擇，CHOICE=1 測頻；CHOICE=0自校；</p><p>　　⑤STA

26、RT（P2.5）：當TF=0 時，作為預置門閘，門寬可通過鍵盤由單片機控制，START=1時預置門開；當TF=1時，START有第二功能，此時，當START=0時測負脈寬，當START=1時測正脈寬。利用此功能可分別獲得脈寬和占空比數據。</p><p>　?、轊EDN（P2.3）：等精度測頻計數結束狀態(tài)信號，EEND=0時計數結束。</p><p>　?、逽EL[P2.2]（P2.2，P

27、2.1，P2.0）：計數值讀出選通控制；當SEL[2.0]=“000”，“001”, “010”... “111”時，將CNT1，CNT2的計數值分8次，每次讀出8位，并傳達到單片機的P0口。</p><p>　　圖4.1 測頻模塊邏輯圖</p><p>　　4.2 各模塊功能和工作步驟如下：</p><p>　　4.2.1 測頻/測周期的實現</p>

28、<p>　　被測信號脈沖從CONTRL模塊的FIN端輸入，標準頻率信號從CONTRL 的FSD端輸入，CONTRL的CLR是此模塊電路的工作初始化信號輸入端。在進行頻率或周期測量時，其工作步驟如下：</p><p>　?、倭頣F=0，選擇等精度測頻，然后再CONTRL的CLR端加一正脈沖信號以完成測試電路狀態(tài)的初始化。</p><p>　?、谟深A置門控信號將CONTRL的ST

29、ART端置高電平，預置門開始定時，此時由被測信號的上沿打開計數器CNT1進行計數，同時使標準頻率信號進入計數器CNT2。</p><p>　?、垲A置門定時結束信號把CONTRL的START端置為低電平（由單片機來完成），在被測信號的下一次脈沖的上沿到來時，CNT1停止計數，同時關斷CNT2對FS的計數。</p><p>　?、苡嫈到Y束后，CONTRL的EEND端將輸出低電平來指示測量計數結

30、束，單片機得到此信號后，即可利用ADRC（P2.2），ADRB（P2.1），ADRA（P2.0）分別讀回CNT1 和CNT2的計數值，并根據精度測量公式進行運算，計算出被測信號的頻率或周期值。</p><p>　　4.2.2 控制部件設計</p><p>　　如圖所示，當D觸發(fā)器的輸入端START為高電平時，若FIN端來一個上升沿，則Q端變?yōu)楦唠娖?，導通FIN-CLK1和FSD-CLK2，

31、同時EEND被置為高電平作為標志；當D觸發(fā)器的輸入端START為低電平時，若FIN端輸入一個脈沖上沿，則FIN-CLK1與FSD-CLK2的信號通道被切斷。</p><p>　　圖4.2 測頻與測周期控制部分電路</p><p><b>　　計數部件設計</b></p><p>　　圖中的計數器CNT1/CNT2是32位二進制計數器，通過DS

32、EL模塊的控制，單片機可分4次將其32位數據全部讀數。</p><p>　　4.2.3 脈沖寬度測量和占空比測量模塊設計 </p><p>　　根據上述脈寬測量原理，設計如圖（CONTRL）所示的電路原理示意圖。該信號的上沿和下沿信號對應于未經處理時的被測信號50%幅度時的上沿和下沿.被測信號從FIN端輸入,CLR為初始化信號<START為工作使能信號.CONTRL2模塊的PUL端與

33、GATE的輸入端PUL連接.</p><p>　　圖4.3 脈沖寬度測量原理圖</p><p>　　測量脈沖寬度的工作步驟如下:</p><p>　　向CONTRL的CLR端送一個脈沖以便進行電路的工作狀態(tài)初始化.</p><p>　　將GATE的CNL端置高電平,表示開始脈沖寬度測量,這時CNT2的輸入信號為FSD.</p>

34、<p>　　在被測脈沖的上沿到來時,CONTRL2的PUL端輸出高電平,標準頻率信號進入計數器CNT2.</p><p>　　在被測脈沖的下沿到來時,CONTRL2的PUL端輸出低電平,計數器CNT2被關斷.</p><p>　　由單片機讀出計數器CNT2的結果,并通過上述測量原理公式計算出脈沖寬度.</p><p>　　CONTRL2子模塊的主要特點是

35、:電路的設計保證了只有CONTRL2被初始化后才能工作,否則PUL輸出始終為零.只有在先檢測到上沿后PUL才為高電平,然后在檢測到下沿時,PUL輸出為低電平:ENDD輸出高電平以便通知單片機測量計數已經結束:如果先檢測到下沿,PUL并無變化;在檢測到上沿并緊接一個下沿后,CONTRL2不再發(fā)生變化直到下一個初始化信號到來.占空比的測量方法是通過測量脈沖寬度記錄CNT2的計數值N1,然后將輸入信號反相,再測量脈沖寬度,沒得CNT2計數值N

36、2則可以計算出:</p><p>　　占空比=N1/（N1+N2）*100%</p><p>　　4.2.4 電路顯示模塊</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路中，單片機MCU與FPGA進行數據交換占用了P0口、P1口和P3口，因此數據顯示電路的設計采用靜態(tài)顯示的方式，顯示電路由8個共陽極七段數碼管和8片1位串入8位并出的74LS164芯片組成。</p>

37、<p>　　圖4.4 顯示電路圖</p><p>　　這種顯示方式不僅占用單片機端口少，而且充分利用了單片機的資源，容易掌握其編碼規(guī)律，簡化了軟件編程，在實驗過程中，也體現出較高的可靠性。數據顯示電路如圖4.4所示。</p><p>　　74LS164是一種8位高速串入/并出的移位寄存器,隨著時鐘信號的高低變化，串行數據通過一個2輸入與門同步的送入，使用獨立于時鐘的主控復位端讓

38、寄存器的輸出端變?yōu)榈碗娖?，并且采用肖特基鉗位電路以達到高速運行的目的。并且還具有以下的特點：①典型的35MHZ移位頻率；②異步主控復位；③門控串行輸入；④同步數據傳輸；⑤采用鉗位二極管限制高速的終端；⑥靜電放電值大于3500V。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，74LS164的連接方式為：74LS164的輸出Q0～Q7分別接LED數碼管的dp、g、f、e、d、c、b、a，并且Q7連接下一個74LS164的A，B端

39、，時鐘CLK連接單片機的TXD端，第一片芯片的AB端連接單片機的RXD端，74LS164芯片的主控復位端接高電平VCC。在這種狀態(tài)下，數碼管的編碼如下表所示。 </p><p>　　4.2.5 數碼管的編碼表</p><p>　　5 單片機控制與運算程序的設計</p><p>　　5.1 AT89C51RC單片機簡介</p><p>　　

40、AT89C5lRC是在AT89C52基礎上開發(fā)的新型高檔單片機。</p><p><b>　　它的主要特性是：</b></p><p>　　片內含有 32 KB的 Flash程序存儲器，擦寫周期為 1000次;</p><p>　　片內數據存儲器內含512字節(jié)的RAM；</p><p>　　具有可編程32線I/O口（P0

41、，P1，P2和P3口）；</p><p>　　具有3個可編程定時器T0，T1和T2；</p><p>　　中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2級中斷優(yōu)先權的中斷結構；</p><p>　　具有一個全雙工 UART串行口；</p><p>　　低功耗工作方式為空閑模式和掉電模式；</p><p>　　具有雙數據指針

42、DPTR0和DPTR1；</p><p>　　具有3級程序鎖定位；</p><p>　　具有硬件看門狗定時器WDT；</p><p>　　AT89C51RC工作電源為4.0～5.5V（AT89LV51RC為2.7～5.5V）；</p><p>　　AT89C51RC最高工作頻率為33MHZ（AT89LV51RC為12MHZ）；</p&g

43、t;<p>　　具有斷電標志POF．</p><p>　　與AT89C52相比，AT89C5lRC具有如下特點：</p><p>　　程序存儲器由 8 KB增加到32 KB；</p><p>　　片內數據存儲器由256字節(jié)增加到512字節(jié)；</p><p>　　數據指針由1個增加到2個；</p><p>

44、　　增加了看門狗定時器，CPU在執(zhí)行程序過程中，由于瞬時的干擾使程序陷入死循環(huán)環(huán)狀態(tài)，WDT（Watchdog Timer）是使CPU擺脫這種困境而自動恢復的一種方法；</p><p>　　退出掉電方式由單純硬件復位方式增加到硬件復位和中斷兩種方式；</p><p>　　新增加了斷電標志POF．</p><p>　　89C51RC的內部框圖</p>&

45、lt;p>　　圖5.1 89C51RC的內部框圖</p><p><b>　　引腳排列及功能</b></p><p>　　AT89C51RC有3種封裝形式：PDIP．PLCC和TQFP．PDIP封裝的引腳排列如圖所示。</p><p>　　圖5.2 AT89C51RC引腳圖</p><p><b>　

46、?。薄。桑峡诰€</b></p><p>　　P0口——8位、漏極開路的雙向 1／O口。</p><p>　　當使用片外存儲器及外擴 I／O口時，P0口作為低字節(jié)地址／數據復用線。在編程時，P0口可用于接收指令代碼宇節(jié)；在程序校驗時，P0口可輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。</p><p>　　P0口也可作通用I/O口使用．但需加上拉電阻．變?yōu)闇?/p>

47、雙向口。當作為普通輸入時，應將 輸出鎖存器置1． PO口可驅動8個 TTL負載．</p><p>　　P1口——8位、準雙向I／O口，具有內部上拉電阻。</p><p>　　P1口是為用戶準備的 1／O雙向口。在編程和校驗時，可用做輸入低8位地址。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置1． P1口可驅動4個TTL負載。</p><p>　　P1.0 P1.1替代功能<

48、/p><p>　　P2口——8位、準雙向 1／O口．具有內部上位電阻．</p><p>　　當使用片外存儲器或外擴1／O口時．P2口輸出高8位地址。在編程／校驗時．P2口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號。</p><p>　　P2口也可作普通I／O口使用。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置1． P2口可驅動4個TTL負載。</p><p>　　P3口—

49、—8位、準雙向 1／O口，具有內部上拉電阻。 </p><p>　　P3口可作為普通1／O口。用做輸入時，應先將輸出鎖存器置 1．在編程／校驗時．P3口接收某些控制信號。它可驅動4個TTL負載。</p><p>　　P3口還提供各種替代功能。</p><p><b>　　P3口替代功能</b></p><p><

50、;b>　　2．控制信號線</b></p><p>　　RST——復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作時，在RST腳施加兩個機器周期（即24個晶振周期）以上的高電平，將器件復位。</p><p>　　EA／VPP——外部程序存惜器訪問允許信號EA（External Access Enable）。</p><p>　　當EA信號接地時，對ROM的

51、讀操作限定在外部程序存儲器，地址為0000H～FFFFH；當EA接地時，對ROM的讀操作從內部程序存儲器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲器。</p><p>　　在編程時，該引腳可接編程電壓（AT89C51的VPP為5V或12V；AT89LV51的VPP為12 V）。在編程校驗時，該引腳可接VCC。</p><p>　　PSEN——片外程序存儲器讀選通信號用PSEN(Program Store

52、 Enable)，低電平有效。</p><p>　　在片外程序存儲器取指期間，當PSEN有效時，程序存儲器的內容被送至 PO口（數據總線）；在訪問外部RAM時，PSEN無效。</p><p>　　AIE/PROG——低字節(jié)地址鎖存信號 AlE（Address latch Enable）。</p><p>　　在系統(tǒng)擴展時，AlE的下降沿將PO口輸出的低8位地址鎖存在

53、外接的地址鎖存器中，以實現低字節(jié)地址和數據的分時傳送。此外，ALE端連續(xù)輸出正脈沖．頻率為晶振頻率的1／6，可用做外部定時脈沖使用。但要注意，每次訪問外RAM時要丟失一個ALE脈沖。在編程期間，該引腳輸入編程脈沖（PROG）。</p><p><b>　　3．電原線</b></p><p>　　VCC——電源電壓輸入。</p><p><

54、b>　　GND——接地。</b></p><p><b>　　4.外部晶振引線</b></p><p>　　XTAL1——片內振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生線路的輸入端。使用片內振蕩器時，連接外部石英晶體和微調電容。</p><p>　　XTAL2——片內振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內振蕩器時，外接石英晶體 和微調電容。&l

55、t;/p><p>　　當使用外部振蕩器時，引腳XTAL1接收外振蕩器信號，XTAIL2懸空。</p><p>　　AT89C5lRC有兩種低功耗節(jié)電模式：空閑模式和掉電模式。</p><p><b>　　1．空閑模式</b></p><p>　　應用軟件使PCON中的IDL＝l，系統(tǒng)便可進入空閑模式．由于PCON不可位尋址，

56、進入空閑模式可采用如下指令：</p><p>　　MOV A，PCON</p><p>　　SETB ACC，0 ；IDL=l</p><p>　　MOV PCON，A</p><p>　　系統(tǒng)進入空閑模式后，CPU處于休眠狀態(tài)．振蕩器和片內外圍單元（中斷系統(tǒng)、定時器、I／O口、串行口）仍然有效．片內RAM和SFR中的內容保留不變。&

57、lt;/p><p>　　退出空閑模式有兩種方法：任何一個有效的中斷和便件復位．退出空閑模式后，IDL由片內硬件自動清0。</p><p><b>　　2．掉電模式</b></p><p>　　執(zhí)行一條指令，使PD=1，系統(tǒng)便進入掉電模式。進入掉電模式后，振蕩器停止工作．掉電模式下．片內RAM和SPR中的內容保持不變．</p><

58、p>　　退出掉電模式有兩種方法：硬件復位和允許的外部低電平中斷（INT0和INT1）。硬件復位過程不改變片內RAM的內容，但要重新設量SFR的內容．僅當VCC恢復到正常操作值，且振蕩器達到穩(wěn)定后，復位有效．</p><p>　　復位退出掉電模式時，系統(tǒng)首先從斷點處恢復執(zhí)行程序，直到復位控制邏輯有效。這個過程長達2個機器周期。在復位有效之前，片內有硬件控制電路防止寫入片內RAM，即在復位過渡期間片內RAM內容

59、受到保護，但并不保護SFR的內容。因此，在進入掉電模式指令（使PD=l的指令）的后面，不要緊隨寫入1／O端口或寫入片外RAM的指令。</p><p>　　主要單片機控制與運算程序流程圖：</p><p>　　圖5.3 測周期子程序流程圖</p><p>　　圖5.4 主程序流程圖</p><p>　　圖5.5 顯示子程序流程圖</

60、p><p>　　圖5.6 頻率，周期計數子程序流程圖</p><p>　　圖5.7 測頻率子程序流程圖</p><p>　　圖5.8 脈寬，占空比計數子程序流程圖</p><p>　　5.2 軟件調試系統(tǒng)</p><p>　　支持CPLD和FPGA設計的軟件有很多種，這里我使用由ALTERA公司開發(fā)的MAX+PLUSI

61、I工具軟件，該軟件方便易用，功能全面，能滿足用戶各種各樣的設計需要，概括起來MAX+PLUSII開發(fā)系統(tǒng)具有如下幾個特點。</p><p><b>　　1．結構無關 </b></p><p>　　MAX+PLUSII支持ALTERA公司的CLASSIC，ACEX1K，MAX3000，MAX5000，MAX7000，MAX9000，FLEX6000，FLEX8000

62、和FLEX10K等系列可編程邏輯器件，門數為600～250 000門，提供了業(yè)界真正與結構無關的可編程邏輯設計環(huán)境。MAX+PLUSII的編譯器還提供了強大的邏輯綜合與優(yōu)化功能以減輕用戶的設計負擔。</p><p>　　2．集成化的界面 </p><p>　　MAX+PLUSII提供了設計輸入，設計處理和仿真校驗等全集成化的開發(fā)工具，可以加快動態(tài)調試，縮短開發(fā)周期。</p>

63、<p>　　3．模塊組合式設計工具 </p><p>　　設計者可從各種設計輸入，設計處理和設計校驗選項中進行選擇，從而使設計環(huán)境用戶化。需要時，還可以保留初始的工具，并增添新的性能。由于MAX+PLUSII支持各種器件系列，設計者用此工具即可支持新結構。</p><p>　　4．支持多種HDL語言 </p><p>　　MAX+PLUSII支

64、持多種流行的HDL描述語言，包括VHDL，VERILOG HDL和AHDL。</p><p>　　5．良好的開放性和數據互換性 </p><p>　　MAX+PLUSII可與其他工業(yè)標準的設計輸入，綜合與校驗工具連接。它與EDA工具的接口符合EDIF200和209標準，并提供了參數化的模塊庫（LPM）。設計者可以使用ALTERA或其他標準的EDA設計輸入工具去建立邏輯設計，使用MAX+

65、PLUSII COMPLIER對設計進行編譯和綜合，然后進行仿真，也可使用其他EDA工具來仿真。</p><p>　　6．基于MAX+PLUSII的設計</p><p>　　使用MAX+PLUSII軟件進行設計和開發(fā)，主要包括以下幾個步驟：</p><p>　　設計輸入：可以采用原理圖輸入，HDL語言描述，EDIF網表輸入及波形輸入等幾種方式。</p>

66、<p>　　編譯：先根據設計要求設定編譯參數和編譯策略，如器件的選擇，邏輯綜合方式的選擇等；然后根據設定的參數和策略對設計項目進行網表提取，邏輯綜合和器件適配，并產生報告文件，延時信息文件及編程文件，供分析，仿真和編程使用。</p><p>　　仿真：仿真包括功能仿真，時序仿真和定時分析，可以利用軟件的仿真功能來驗證設計項目的邏輯功能是否正確。</p><p>　　編程與驗證：

67、用經過仿真確認后的編程文件通過編程電纜配置PLD，加入實際激勵，檢查是否完成預定功能。</p><p>　　在設計過程中，如果出現錯誤，則需要重新回到設計輸入階段，改正錯誤或調整電路后重復上述過程。</p><p><b>　　5.3具體試驗過程</b></p><p>　　5.3.1 第一次測試 </p><

68、p>　　根據試驗箱的操作，分別用按鈕D12控制測頻/占空比的轉換，用D15控制清零，用D16 控制開始測量。最初的軟件調試工程，分別通過手動按鈕從0到7讀出顯示上的兩位十六進制數，從零到三所讀出的4個十六進制數組合在一起是Ns，四到七讀出的數組合在一起時Nx，分別把組合的數據轉化成十進制進行計算，得到所測頻率。 </p><p>　　根據Fx=Fs*Nx/Ns，得到所測數據。</p>

69、;<p>　　Fs=12mhz，f測=8hz。</p><p>　　Fs=12mhz,f測=4hz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=64hz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=12mhz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=750khz</p><p>　　Fs=12mhz,

70、f測=6mhz</p><p>　　Fs=12mhz,f測=1.5mhz</p><p>　　5.3.2 第二次計算</p><p>　　根據此計算結果，我們可以知道在實驗箱里的程序是可行的。但是需要用單片機來實現我們的計算過程和控制。所以我們進行了單片機程序的編寫，希望通過按健控制直接從數碼管上讀出數據，但因為編寫匆忙，沒能設計小數點后面的</p>

71、<p>　　顯示，對于小頻率的測試，誤差就相當大了。下面是再次測試的實現數據。</p><p>　　有上面的測試結果可見，測試頻率可以高達50mhz，看來我們的程序是可行的，對于粗略的測試還是比較準確的。但是因為沒有小數顯示，對于頻率較低的測試，誤差就大了。所以有待改進。</p><p>　　5.4 系統(tǒng)調試的方法</p><p>　　本系統(tǒng)既含有FPGA

72、自編程硬件設計電路，又含有單片機控制電路，整個系統(tǒng)比較復雜，因此我們采用自底向上的調試方法，也就是先進行各個單元電路的軟件仿真和硬件調試，在各個單元電路調試好后再進行系統(tǒng)聯調，最后進行硬件的編程固化及系統(tǒng)的組裝。</p><p>　　5.4.1 調試的軟/硬件</p><p>　　(1) 系統(tǒng)設計開發(fā)軟件：MAX+plus Ⅱ 10.0，偉福6000(WAVE 6000 for windo

73、ws)。(2) 單片機及FPGA/CPLD調試設備：PIV計算機，偉福E6000L單片機仿真器及POD—8X5XP仿真頭，GW48-CK EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)及EPF10K20TC144-4FPGA適配板，GWDVPB電子設計開發(fā)板單片機最小系統(tǒng)，煒煌WH-500B程序編寫加密器，GDS-820S數字存儲示波器。</p><p>　　5.4.2 系統(tǒng)的仿真結果</p><p>　　FPGA測

74、試模塊中頻率/周期測量仿真圖如下圖所示。</p><p>　　5.4.3 系統(tǒng)的硬件驗證 </p><p><b>　?、賳卧娐返恼{試 </b></p><p>　　FPGA/CPLD測頻專用電路的調試：使用MAX+plus Ⅱ 10.0，計算機，GW48-CK EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)等軟件和設備，對FPGA/CPLD測控電路進行VHDL程序的

75、調試，有關仿真以及編程下載，硬件測試等。</p><p><b>　?、诮y(tǒng)的聯合調試</b></p><p>　　在各個單元電路調試好后即可進行系統(tǒng)聯調。</p><p><b>　?、劢y(tǒng)的硬件驗證</b></p><p>　　系統(tǒng)聯合調試成功后，可將單片機程序通過編程器固化到單片機中并插入EDA實

76、驗開發(fā)系統(tǒng)中的單片機插座上，將VHDL設計經過綜合適配后的網表對CPLD/FPGA進行編程下載，輸入相關的信號，并進行有關性能指標的測試，直到滿足系統(tǒng)的設計要求為止。</p><p>　　本設計的具體硬件驗證說明如下：</p><p>　　本系統(tǒng)的顯示電路共設置了8個數碼管，前7個為數字顯示，另一個是測量狀態(tài)顯示。</p><p>　　(1) 當顯示為P. 時，是復

77、位狀態(tài)，此時數碼管全熄。</p><p>　　(2) 當顯示為F時，是頻率測量狀態(tài)，單位Hz，如果前面出現兩個小數點，則第二個小數點表示MHz。</p><p>　　(3) 當顯示為P時，是周期測量狀態(tài)，單位μs。</p><p>　　(4) 當顯示為A時，是脈寬測量狀態(tài)，單位μs。</p><p>　　(5) 當顯示為B時，是占空比測量狀態(tài)

78、，單位%。 </p><p>　　5.5 設計技巧分析</p><p>　　(1) 在系統(tǒng)總體設計方面，充分利用單片機和FPGA/CPLD各自的優(yōu)勢，將測控的主體分配給FPGA/CPLD，既可滿足頻測對速度方面的要求和多I/O口的要求，同時利用單片機具有良好的人機接口和控制運算的功能，可以較簡單地實現鍵盤和顯示控制以及數據處理運算。</p><p>　　(2) 在頻

79、率測量方面，由于采用了等精度測頻法，使該系統(tǒng)具有以下特點：① 相對測量誤差與被測頻率的高低無關；② 增大Tpr或fs可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度；③ 測量精度與預置門寬度和標準頻率有關，與被測信號的頻率無關，預置門和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變。</p><p>　　(3) 在顯示方面，首先采用串行動態(tài)顯示，節(jié)約了I/O口，簡化了驅動電路的設計。</

80、p><p>　　5.6系統(tǒng)擴展思路 </p><p>　　(1) 設計并制作系統(tǒng)工作的外圍電路：系統(tǒng)用方波信號源、直流工作電源。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)聯合調試成功后，可將單片機程序通過編程器固化到單片機中，將VHDL設計經過綜合適配后的網表對CPLD/FPGA進行編程下載，將整個系統(tǒng)的外圍電路設計制作印刷電路板</p><p><

81、;b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　譚會生，瞿遂春．EDA 技術綜合應用實例與分析[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2004．</p><p>　　徐志軍，徐光輝．CPLD/FPGA的開發(fā)與應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．</p><p>　　Altera Corporation Altera Digital Li

82、brary[M]. Altera,2002．</p><p>　　王金明，楊吉斌．數字系統(tǒng)設計與Verilog HDL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002．</p><p>　　Xilinx Inc.Data Book 2001.Xilinx[M],2001．</p><p>　　譚會生．EDA 技術及應用[M]．株洲工學院學報，2001，5．</p>

83、<p>　　http://www.21IC.com\.....\ 21IC嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展[M]．2003. </p><p>　　[8] 譚會生，張昌凡．EDA技術及應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2001．</p><p>　　[9] 張凱，林偉．VHDL實例剖析[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2004．</p><p>　　[1

84、0] 曾繁態(tài)，陳美金VHDL程序設計[M]．北京：清華大學出版社，2003．</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次論文的過程中，才感覺到對知識掌握的欠缺，需要認真，細致，融會貫通才行，包括對word的使用。在這期間，非常感謝輔導老師范老師對我們耐心的指導，不厭其煩的給我們解答，利用休息時間給我們做論題。找資料給我們分析軟件以及硬件方面

85、的東西。在范老師的輔導下，我們順利地完成了此次論文。同時也要感謝王忠鋒老師為我們答難解疑。</p><p>　　同時也要感謝同組同學對我的幫助，在他們的協(xié)作下完成了顯示電路版的制作。在電子產品的制作中，每一項工作的完成都是大家齊心協(xié)力的結果，再共同完成的過程中，我們也體會到了互助的快樂。在此過程中也鍛煉了我們收集資料，處理資料，篩選資料的能力。</p><p>　　當然也要感謝閱讀論文的各