基于CPLD的高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵 毅 ，王 欣 ,黃銀國(guó)

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子學(xué)院，天津 300072）

基于CPLD的高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵 毅1，王 欣1,黃銀國(guó)2

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津大學(xué)精密儀器與光電子學(xué)院，天津 300072）

介紹了等精度頻率測(cè)量原理，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了分析。在6 000 m高精度CTD剖面儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)結(jié)合Altera公司EPM1270T144C5型CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，CPLD基于QuartusII軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多通道頻率信號(hào)等精度同步測(cè)量。通過(guò)海上的多次現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

CPLD；等精度；頻率測(cè)量；數(shù)據(jù)采集；CTD

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頻率信號(hào)的采集是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。傳統(tǒng)的頻率采集方法主要分為測(cè)頻法和測(cè)周法兩種，測(cè)量精度受被測(cè)信號(hào)影響，均存在較大局限性。等精度測(cè)量方法是在直接測(cè)頻方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是測(cè)量精度僅由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率和采樣時(shí)間長(zhǎng)短決定，不隨被測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化，可以實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍內(nèi)的高精度測(cè)量。

CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)是為滿足人們對(duì)專(zhuān)用集成電路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）的需求而產(chǎn)生的，由于其集成度高，可以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，雖然作為通用集成電路生產(chǎn)，但是通過(guò)設(shè)計(jì)編程就可以把要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)集成在一片芯片上，代替專(zhuān)用集成電路。可編程邏輯器件的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，形成一種基于芯片的設(shè)計(jì)方法，具有集成度高、功耗低、設(shè)計(jì)靈活、調(diào)試方便、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

本文介紹了等精度測(cè)量的原理及其實(shí)現(xiàn)，并分析了影響其誤差的因素。在6 000 m高精度CTD剖面儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)結(jié)合CPLD實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器頻率信號(hào)的同步等精度測(cè)量，并通過(guò)海上的多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了系統(tǒng)的可靠性。

1 測(cè)頻原理

常用直接測(cè)頻方法分為測(cè)頻法和測(cè)周法兩種。測(cè)頻法在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間閘門(mén)內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)算得到被測(cè)頻率，這種測(cè)頻方法存在對(duì)被測(cè)頻率計(jì)數(shù)的±1誤差，當(dāng)頻率越低時(shí)誤差越顯著，因此往往應(yīng)用于高頻信號(hào)的測(cè)量；測(cè)周法是在被測(cè)信號(hào)1個(gè)周期內(nèi)，對(duì)高頻參考信號(hào)計(jì)數(shù)，因?yàn)楦哳l參考信號(hào)頻率是穩(wěn)定已知的，可以得到被測(cè)信號(hào)的頻率，這種方法存在對(duì)高頻參考信號(hào)計(jì)數(shù)的±1誤差，因此當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很高，周期很短時(shí)，高頻計(jì)數(shù)值相應(yīng)減少，誤差增加，測(cè)周法往往應(yīng)用于低頻信號(hào)的測(cè)量。綜上所述，兩種方法都存在其局限性。等精度測(cè)頻方法與之的區(qū)別在于閘門(mén)時(shí)間不是固定值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)同步，因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1誤差，并達(dá)到在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)的等精度測(cè)量。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 頻率測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理

時(shí)間閘門(mén)信號(hào)根據(jù)采樣率要求確定，連接到D觸發(fā)器的輸入端，當(dāng)時(shí)間閘門(mén)信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖剑敵霾⒉涣⒓锤淖儯堑鹊奖粶y(cè)頻率信號(hào)的上升沿到來(lái)，觸發(fā)器狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)換。計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器，當(dāng)觸發(fā)器輸出高電平時(shí)同時(shí)開(kāi)始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和被測(cè)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間閘門(mén)信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑯拥鹊奖粶y(cè)頻率信號(hào)的上升沿到來(lái)，觸發(fā)器狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)換，兩個(gè)計(jì)數(shù)器同步停止計(jì)數(shù)。

由以上的測(cè)量原理可見(jiàn)實(shí)際的采樣時(shí)間與時(shí)間閘門(mén)信號(hào)并不相同，由于采用被測(cè)頻率信號(hào)和時(shí)間閘門(mén)信號(hào)共同決定實(shí)際采樣時(shí)間，對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)不存在誤差，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)存在不超過(guò)±1的計(jì)數(shù)誤差。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)為fs，被測(cè)頻率信號(hào)為fx，同一時(shí)間段內(nèi)的二者計(jì)數(shù)比值即二者的頻率比值，設(shè)計(jì)數(shù)值分別為Ns和Nx，由于標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fs可知，即可以計(jì)算出被測(cè)頻率：

設(shè)被測(cè)頻率的真實(shí)值為fx',fx的相對(duì)誤差可以表示為：

由測(cè)量原理可知，對(duì)被測(cè)頻率的計(jì)數(shù)值Nx不存在誤差，設(shè)實(shí)際采樣時(shí)間為τ，實(shí)際采樣時(shí)間與預(yù)置時(shí)間的差為Δt，則可知被測(cè)頻率的真實(shí)值可表示為：

（1）式可表示為：

將（3）式和（4）式代入（2）式，得到：

由測(cè)量原理可知，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率的計(jì)數(shù)誤差為±1，則：

當(dāng)τ遠(yuǎn)大于Δt時(shí)（5）式可表示為：

即測(cè)量相對(duì)誤差僅與采樣時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率成反比，與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)，采樣時(shí)間越長(zhǎng)，采樣率越低，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測(cè)量的相對(duì)誤差就越小。當(dāng)采樣頻率一定時(shí)，可以通過(guò)提高標(biāo)準(zhǔn)頻率提高測(cè)量的精度。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為10 MHz，采樣頻率為100 Hz時(shí)，相對(duì)誤差達(dá)到10-5。

2 頻率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6 000 m高精度CTD剖面儀用于0～6 000 m水深海洋垂直剖面的溫度、電導(dǎo)率和深度參數(shù)測(cè)量，是水文調(diào)查的重要儀器，采樣率24 Hz，其測(cè)量準(zhǔn)確度指標(biāo)見(jiàn)下表1。

表1 6 000 m高精度CTD剖面儀測(cè)量準(zhǔn)確度

除了具有采樣率高、精度高的特點(diǎn)，由于海洋鹽度計(jì)算的特殊性，對(duì)各傳感器還有同步測(cè)量的要求，即溫度、電導(dǎo)率和壓力的測(cè)量對(duì)象必須是同一水體，否則就會(huì)由于溫度與電導(dǎo)率測(cè)量的不一致造成鹽度計(jì)算中出現(xiàn)虛假尖峰。在以往的設(shè)計(jì)中采用基于單片機(jī)的頻率采集設(shè)計(jì)方案，這種方式通過(guò)充分開(kāi)發(fā)單片機(jī)內(nèi)集成模塊完成各傳感器參數(shù)的測(cè)量，但由于系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)多、控制任務(wù)繁雜，必須采用多CPU協(xié)同處理的架構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)由于各測(cè)量通道不完全獨(dú)立，單片機(jī)本身存在中斷沖突的問(wèn)題，會(huì)影響測(cè)量的精度和同步性。

CTD剖面儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是按采樣率和精度要求完成溫度、電導(dǎo)率、壓力傳感器和高度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算編碼實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)根據(jù)甲板單元控制指令完成潛水泵和采水器控制。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用了單片機(jī)集合CPLD的設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)與CPLD具有很強(qiáng)的功能互補(bǔ)性，單片機(jī)的功能靈活，易于人機(jī)對(duì)話，有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但是高速實(shí)時(shí)信號(hào)的并發(fā)處理能力不強(qiáng)；而CPLD為純硬件結(jié)構(gòu)，速度快，可靠性高，利用二者的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)完成系統(tǒng)控制、命令應(yīng)答、數(shù)據(jù)處理功能，CPLD完成高速、高精度的多路傳感器頻率信號(hào)測(cè)量，二者功能相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)數(shù)據(jù)接口連接。

各傳感器輸出頻率的波形、振幅各不相同，不能直接接入單片機(jī)的采集端口。為了把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以采集的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)正弦波到方波的變換，才能進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，否則會(huì)因?yàn)殚l門(mén)開(kāi)啟時(shí)間影響計(jì)數(shù)精度，而且信號(hào)幅度也不滿足單片機(jī)的要求。傳感器輸出的頻率信號(hào)的預(yù)處理采用一個(gè)低功耗雙路電壓比較器LM393實(shí)現(xiàn)，輸出為標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)。

溫度、電導(dǎo)率和壓力傳感器三路頻率信號(hào)采集采用Altera公司MAX II器件系列的EPM1270T144C5型CPLD完成，該系列CPLD采用全新的CPLD體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)用低功耗的工藝技術(shù)，和前一代MAX器件相比，成本降低一半，功率降至1/10，容量增加4倍，性能增加2倍。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采集模塊內(nèi)部分為多個(gè)功能模塊，如分頻、時(shí)序控制、計(jì)數(shù)、鎖存、編譯碼等，而此器件提供1 270個(gè)邏輯單元，116個(gè)I／O端口，8 kbit用戶Flash存儲(chǔ)容量，能夠完全滿足系統(tǒng)需要。

CPLD的開(kāi)發(fā)基于QuartusII軟件平臺(tái)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，確定輸入輸出信號(hào)，同時(shí)根據(jù)時(shí)序分析劃分功能模塊，然后把所有的輸入輸出信號(hào)分配到各個(gè)功能模塊中，對(duì)每個(gè)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，功能仿真。在各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)其各自功能后，再完成頂層設(shè)計(jì)輸入，功能仿真，綜合仿真，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為了滿足三路采集通道的同步性和獨(dú)立性，各路通道的計(jì)數(shù)、鎖存完全獨(dú)立，但采用相同的時(shí)序控制信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)頻率源采用24 MHz高穩(wěn)定性時(shí)鐘源，其電壓穩(wěn)定性、年漂移和溫度漂移均不足1×10-6，采樣率24 Hz時(shí)測(cè)量相對(duì)誤差達(dá)到10-6，滿足測(cè)量精度要求。每路頻率信號(hào)采用5個(gè)計(jì)數(shù)器完成采樣間隔內(nèi)對(duì)傳感器信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后結(jié)果自動(dòng)鎖存，并給出采樣完成標(biāo)志，由單片機(jī)按地址依次分別讀取。

采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，單片機(jī)與CPLD之間通過(guò)數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)選擇接口連接，數(shù)據(jù)采集開(kāi)始后，CPLD自動(dòng)按照24 Hz采樣率采集各傳感器數(shù)據(jù)，采樣完成后給出采樣完成標(biāo)志，單片機(jī)檢測(cè)到采樣完成標(biāo)志后，按照地址編碼，依次讀取各計(jì)數(shù)器結(jié)果，經(jīng)計(jì)算編碼后發(fā)送給甲板單元。

系統(tǒng)組成示意如圖2。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

3 試驗(yàn)比測(cè)

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作適應(yīng)性和長(zhǎng)期工作可靠性，6000 m電纜傳輸CTD剖面儀參加了2010年8月5日至9月2日的“863”規(guī)范化外海試驗(yàn)，通過(guò)高精度6 000 m CTD剖面儀與國(guó)際先進(jìn)的同類(lèi)儀器設(shè)備開(kāi)展海上綜合比測(cè)試驗(yàn)，檢驗(yàn)高精度6 000 m CTD剖面儀的技術(shù)性能和驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，試驗(yàn)結(jié)果為高精度6 000 m CTD剖面儀的進(jìn)一步改進(jìn)、完善提供依據(jù)。

此次外海實(shí)驗(yàn)自2010年8月6日搭乘東方紅2號(hào)科學(xué)考察船從青島中苑碼頭出發(fā)，8月11-26日完成了10次CTD比測(cè)試驗(yàn)，比測(cè)站位如圖3。

圖3 試驗(yàn)站位圖

圖4 比測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 溫度比測(cè)曲線

圖6 電導(dǎo)率比測(cè)曲線

比測(cè)儀器為SBE25,比測(cè)試驗(yàn)采用雙機(jī)同步比測(cè)方法，把高精度CTD剖面儀與SBE25儀器安裝在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)架上，兩臺(tái)儀器水平放置，把相同類(lèi)型的傳感器在互不干擾的前提下盡量靠近，由于海洋水文環(huán)境要素在垂直方向上的變化一般要大于水平方向上的變化，所以盡量保持溫度和電導(dǎo)率傳感器在同一水平位置。比測(cè)安裝情況如圖4。

測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)分析方法為將被測(cè)儀器和比測(cè)儀器都經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為按壓力平均形式，比較同一壓力下的測(cè)量參數(shù)值，以08232站位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，溫度、電導(dǎo)率和鹽度的比測(cè)曲線如圖5、圖6和圖7。

圖7 鹽度比測(cè)曲線

從比測(cè)曲線可見(jiàn)被測(cè)和比測(cè)儀器的變化趨勢(shì)一致，比測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。

表2 08232站位試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在這一航次的比測(cè)試驗(yàn)中，6 000 m高精度CTD剖面儀共進(jìn)行了10次比測(cè)試驗(yàn)，最大深度達(dá)到了3 205 m，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，很好地完成了數(shù)據(jù)采集和采水任務(wù)，溫度、電導(dǎo)率相關(guān)系數(shù)始終優(yōu)于0.999 9，第三方檢驗(yàn)報(bào)告認(rèn)為“6 000 m高精度CTD工作穩(wěn)定，具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性”。

4 總結(jié)和展望

采用單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件共同實(shí)現(xiàn)6 000 m高精度CTD剖面儀數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，具有集成度高，可靠性好，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。CPLD內(nèi)部集成資源豐富，能完成復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)功能，開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)調(diào)試方便，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，節(jié)約成本，在海洋儀器的開(kāi)發(fā)中有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張兆英.海水電導(dǎo)率、溫度和深度測(cè)量技術(shù)探討[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(4)：38-41.

[2]何小艇.數(shù)字電路[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1995.

[3]王開(kāi)軍，姜宇柏.面向CPLD/FPGA的VHDL設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]吳繼華，王誠(chéng).Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[5]周潤(rùn)景，圖雅，張麗敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Design of High Precision Frequency Measuring System Based on CPLD

SHAO Yi1,WANG Xin1,HUANG Yin-guo2
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The principal of equal precision frequency measurement is introduced and the measurement error is analyzed.Data acquisition system of 6000 meter high precision CTD profiler is designed based on microcontroller and Altera EPM1270T144C5 CPLD to realize the design functions.CPLD is developed based on Quartus II software kit to realize multi-channel frequency signals synchronized equal precision measurement adopting modular principal.The site experiments validate the reliability of the system.

CPLD;equal precision;frequency measurement;data acquisition;CTD

P715；TN79

B

1003-2029（2011）04-0019-04

2010-11-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）——船載6 000 m溫鹽深剖面儀（CTD）定型樣機(jī)工藝、材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)的改進(jìn)研究（2006AA09A313）

邵毅（1976-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和傳感器測(cè)量系統(tǒng)研究。Email:shao_yi@sohu.com