100MHz高速計數器在STM32F103系列嵌入式系統中的設計與實現

楊衛東 班奎峰 楊紅天

【摘要】 近幾年發展成熟的Cotex-M3系列嵌入式單片機，由于其低功耗、低成本和高性能的特點，使其在高端工業儀表和儀器應用得以迅速普及。但30MHz以上級別的計數器，無法在STM32F103系列單片機上直接實現，原有儀器硬件方案是采用高速FPGA實現計數。針對原有儀器硬件方案進行改進，將MCS51單片機換成STM32F103VET6嵌入式單片機，去掉FPGA的計數器，用嵌入式單片機直接實現100MHz高速計數器功能。以達到簡化原設計的復雜程度。

【關鍵詞】 高速計數器 嵌入式系統

一、輸入信號的分頻處理

針對STM32F103VET6計數器上限只能到27MHz的情況，決定對被測高頻信號進行4分頻后，進入單片機。如此，信號在100MHz時輸入單片機的信號頻率為25MHz，就達到了頻率設計目標。選擇FAIRCHILD公司的74AC74（雙D觸發器）來實現4分頻，74AC74在SV電源工作條件下，-40。-85°范圍內fmax≥125MHz。4分頻原理圖見圖1。

二、計時器系統的主要誤差分析

l、基本誤差。計數器在每秒計數期間，由于信號和秒時鐘的偶然關系，計數器具有±1個字的基本誤差。

2、四分頻器誤差。由于單片機內的計數器工作在四分頻信號，則計數器的所有誤差均會被放大4倍。

3、單片機1秒中斷誤差。單片機內部1秒中斷時間到，到執行讀出計數器數據這個過程中，每次操作延遲的時間有一定的差別，導致誤差；并且在讀數期間也有可能產生新的計數，若是碰到計數進位情況，會產生很大的偶然性誤差。這兩種誤差也會因4分頻被放大4倍。

三、計時器系統誤差處理

1、消除計數器基本誤差。對于計數器的此項誤差，通過軟件將前后兩次計數值，做簡單的均值濾波就可以消除。

2、降低4分頻器誤差。由于4分頻器均會將所有誤差放大4倍，影響最大。發揮STM32F103VET6的多計數器長處，用兩個計數器對信號技術，一個對信號的上升沿計數，一個對信號下降沿計數。這樣處理后，實際的分頻系數就降低為2了。若想消除此項誤差，在雙計數器技術的條件下，選擇計數器速度超過50MHz的單片機才能實現。

3、消除單片機1秒中斷誤差。為了消除此項誤差，只能采用硬件操作來完場計數器的讀數，而不能用軟件中斷方式來實現。筆者是這樣解決的，針對計數器有外部捕獲功能，若每秒產生一個不收軟件控制的捕獲信號即可。從這個思路出發，充分發揮嵌入式單片機優勢，通過單片機內的PWM發生器，產生一個不用軟件參與的1Hz信號，將這個PWM引腳連接到計數器的捕獲引腳上，就達到目的了。也可以采用單獨的實時時鐘芯片產生這個信號。

4、降低1秒時間基準誤差。由于此項誤差不來源于單片機本身，而是來源于外部的石英晶體振蕩器，最簡單的辦法是采用高精度和穩定度的石英晶體振蕩器。

四、軟件流程圖

設計中充分運用STM32F103VET6的計數器外設，完全避開了軟件對計數器工作的干擾，計數器的運行消耗MCU資源極少，只在每秒計算信號頻率時才運行一次計算程序，軟件流程見圖7，計算公式如下：

本次1秒F=（N*65536+本次捕獲計數器值-前次捕獲計數器值）*分頻系數

N*65536計數器工作在16位模式，每次中斷代表有65536信號進入計數器

分頻系數=2

信號頻率=（本次1秒F+前次1秒F）/2