CY8C29666芯片的高精度頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

趙浩，紀平鑫，周加永，李會營，呂啟元

(西北機電工程研究所，咸陽 712099)

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CY8C29666芯片的高精度頻率測量系統(tǒng)設(shè)計

趙浩，紀平鑫，周加永，李會營，呂啟元

(西北機電工程研究所，咸陽 712099)

針對目前脈沖頻率測量中存在的頻率范圍窄、精度低等問題，提出了一種以PSoC芯片CY8C29666為核心的信號頻率測量系統(tǒng)。設(shè)計中以改進的多周期同步測頻法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合PSoC芯片集成度高、系統(tǒng)資源豐富、穩(wěn)定抗干擾的優(yōu)點，實現(xiàn)了對0.1 Hz～10 MHz信號頻率的高精度測量，并結(jié)合實驗結(jié)果進行了精度分析。

PSoC；頻率測量；多周期同步測頻法

引 言

在電工技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其他許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。隨著航天軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對時間及頻率的測量精度有了更高的要求。但是在現(xiàn)有基于單片機、CPLD等的測頻設(shè)備中，在高頻率的工作條件下工作不夠穩(wěn)定，電路板的設(shè)計比較困難，測量精度達不到系統(tǒng)要求的數(shù)量級[1]。因此，研究測量精度更高的測量設(shè)備具有重大意義。

PSoC(Programmable System on Chip)是Cypress公司推出的一款基于通用IP模塊，并且具有真正混合信號處理能力的可編程片上系統(tǒng)芯片。在PSoC芯片的設(shè)計中，設(shè)計者可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計。使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程[2]。因此，PSoC能夠滿足非常復(fù)雜的實時控制需求，使用它進行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費用，同時增強系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。因此，PSoC特別適用于各種控制和自動化領(lǐng)域。

1 測量原理

頻率測量主要有測頻法和測周法兩種[3]。測頻法就是在確定的閘門時間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))Nx，則被測信號的頻率為fx=Nx/Tw。測周法需要有標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號fs，在待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周期數(shù)Ns，則被測信號的頻率為fx=fs/Ns；在多個周期內(nèi)，記錄被測頻率的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))Nx，則被測頻率為fx=fs×Nx/Ns。這兩種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生±1個脈沖誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。

本設(shè)計采用多周期同步測頻法：首先通過對定時器的設(shè)定來預(yù)置閘門時間。將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和被測頻率信號分別輸入兩個計數(shù)器進行多個周期的同步計數(shù)。預(yù)置閘門時間結(jié)束時，兩個計數(shù)器并不停止計數(shù)，而是等到被測頻率信號下一個同相位觸發(fā)沿到來之后才關(guān)閉同步門并停止計數(shù)。因此，測量結(jié)果的精度僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，誤差由被測頻率的±1個脈沖減少到標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的±1個脈沖，測量精度有顯著提高。多周期同步測頻法原理圖如圖1所示。

圖1 多周期同步測頻法原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

由原理分析可知，采用多周期同步測頻法測量單路信號頻率時，至少需要一個能提供閘門信號的定時器，一個控制實際閘門信號在被測信號上升沿處啟停的同步控制模塊，以及兩個分別對實際閘門內(nèi)的被測頻率信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進行計數(shù)的計數(shù)器。由運算器對計數(shù)器的結(jié)果進行運算，求出被測頻率值，最后通過顯示模塊顯示測量結(jié)果。

在兩路信號頻率測量中，不同信號的閘門信號產(chǎn)生電路和計數(shù)器都是彼此獨立的，但其控制運算部分都由CPU來完成?；趯SoC內(nèi)部資源上的考慮，本設(shè)計采用1片PSoC芯片CY8C29666[4]作為頻率測量系統(tǒng)的主體部分，每個PSoC芯片內(nèi)部至少需要配置2個定時器功能模塊和4個計數(shù)器功能模塊。各計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果輸入到CPU中進行計算，得到的被測信號頻率值并輸出到顯示部分。

PSoC芯片是整個頻率測量系統(tǒng)的核心，其配置方式的可行性和合理性直接關(guān)系到系統(tǒng)功能能否順利實現(xiàn)[5-6]。本設(shè)計中使用PSoC Designer軟件中的器件編輯器對CY8C29666內(nèi)部的全局資源、用戶模塊、連接關(guān)系以及芯片引腳進行配置，在此基礎(chǔ)上添加外部器件，即可完成系統(tǒng)的硬件平臺的搭建。本設(shè)計中，兩路信號對應(yīng)的處理部分將系統(tǒng)資源一分為二，即定時器模塊均為8位，兩個被測頻率計數(shù)器均為16位，兩個標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)器均為32位。

定時器的配置方式是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。定時器模塊是由1個周期寄存器、1個同步遞減計數(shù)器和1個捕獲比較寄存器組成。周期寄存器和捕獲比較寄存器中要分別存放兩個值，即Period和CompareValue，這兩項值決定著閘門時間的長短。定時器模塊共有兩項輸出：比較輸出和最終計數(shù)輸出。其中比較輸出連到同步控制模塊，用于產(chǎn)生同步使能信號；最終計數(shù)輸出端接到指定的GPIO引腳，用來判斷何時讀取計數(shù)器的計數(shù)值及重寫計數(shù)器的初值。

開啟定時器后，遞減計數(shù)器由Period值開始遞減，同時兩個輸出端均輸出低電平。當(dāng)計數(shù)值等于CompareValue時，在下一個系統(tǒng)時鐘上升沿，比較輸出端輸出高電平，直至計數(shù)值遞減到零時，比較輸出跳低——這樣就產(chǎn)生了定閘門信號。定閘門信號進入同步控制模塊，產(chǎn)生與被測信號上升沿同步的使能信號。兩個計數(shù)器在使能信號為高時開始遞減計數(shù)。當(dāng)使能信號跳低后，計數(shù)器暫停計數(shù)。讀取當(dāng)前計數(shù)值，即可計算出測量結(jié)果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 采用多周期同步測量法測量兩路數(shù)字信號的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的程序設(shè)計主要由主程序、中斷服務(wù)子程序和顯示子程序構(gòu)成。為了使設(shè)計出來的軟件功能明確，便于調(diào)試、擴展和移植，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法[7]。主程序如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

需要注意的是，定時器最終計數(shù)結(jié)束后的下一個系統(tǒng)時鐘周期，定時器會自動重新加載計數(shù)初值，所以要在此之前讀取兩計數(shù)器的計數(shù)值。故使用定時器的最終計數(shù)輸出功能，在此時輸出一個脈沖觸發(fā)中斷，即可通過編寫中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)讀取計數(shù)值，并重置計數(shù)器初值的功能。

3 實驗結(jié)果及誤差分析

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，通過配置定時器模塊得到的閘門時間為T，被測信號頻率的理論值為fxe，T時間內(nèi)計數(shù)器對被測頻率信號和基準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值分別為Nx和Ns，則被測信號的頻率為fx = fs × Nx / Ns。在忽略基準(zhǔn)頻率fs誤差的情況下，測頻可能產(chǎn)生的誤差為:

(1)

由于測量中兩計數(shù)器的計數(shù)啟停都由fx的上升沿觸發(fā)，即實際閘門時間為被測頻率信號的整數(shù)倍，故對fx計數(shù)不存在誤差；對fs的計數(shù)Ns最多相差一個脈沖的誤差，即|ΔNs|≤1,此時測量頻率為:

(2)

將此式和頻率計算公式代入誤差計算公式可以得出:

(3)

由式(3)可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和基準(zhǔn)信號頻率有關(guān)。閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測頻的相對誤差就越小。這里選定標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為48MHz，閘門時間分別為10s和10ms的情況。通過計算可知：閘門時間為10s時，理論誤差為2.083×10-9；閘門時間為10ms時，理論誤差為2.083×10-6。 系統(tǒng)電路安裝調(diào)試成功后，對上述結(jié)果進行驗證。兩路輸入信號分別取自綠楊牌YB1631信號發(fā)生器以及信達牌XD11BH多用信號發(fā)生器。被測信號參考頻率由Keithley2000數(shù)字萬用表測得。測量結(jié)果如表1所列。

由表1可知，本設(shè)計測量結(jié)果的相對精度在10-6以上，基本達到設(shè)計精度要求,但是與理論誤差相比還有一定差距。原因有兩方面：一方面在現(xiàn)有的實驗室條件下，沒有頻率精度更高的頻率計，故以其為標(biāo)準(zhǔn)計算得到的誤差只能作為參考，更高的測量精度無法驗證；另一方面是系統(tǒng)本身存在誤差。

結(jié) 語

表1 測試數(shù)據(jù)

[1] 馬獻果,焦陽. 頻率測量方法的改進[J]. 儀器儀表學(xué)報,2004,25(4):21.

[2] 何賓.可編程片上系統(tǒng)PSoC設(shè)計指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[3] 侯俊勇.高速高精度頻率測量系統(tǒng)的CPLD實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報,2003,24(4):159.

[4] CYPRESS. PSoC Mixed-Signal Array Final Data Sheet_CY8C29666[EB/OL].[2014-07]. http://download.cypress.com.edgesuite.net/design_resources/datasheets/contents/cy8c29666_8.pdf.

[5] 邵自然,曹丹. 一種頻率測量片上系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電腦開發(fā)與應(yīng)用,2006(6):49.

[6] 王凱,陳尚松,郭慶.用PSoC數(shù)?；旌闲盘栮嚵袑崿F(xiàn)壓頻V/F變換[J].電子測量與儀器學(xué)報,2004(z2)：695.

[7] San Jose. PSoC Designer C Language Compiler User Guide[EB/OL]. [2014-07].http://www.cypress.com.9/13/2011.

趙浩(工程師)，主要研究方向為計算機測控技術(shù)、自動化儀器。

Design of High Accuracy Frequency Measurement System Based on CY8C29666

Zhao Hao,Ji Pingxin,Zhou Jiayong,Li Huiying,Lv Qiyuan

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099,China)

Aiming at the problems of narrow frequency range and low accuracy existing in pulse frequency measurement at present, a signal frequency measurement system based on the CY8C29666 is proposed. Based on the theory of the improved multi-cycle synchronous frequency measurement, combining with the advantages of PSoC chip such as high integration, abundant resources,stability and anti-interference,the system achieves high precision measurement of 0.1 Hz～10 MHz frequency signal.Combining with the experimental results,the measurement precision is analyzed.

PSoC; frequency measurement; multi-cycle synchronous frequency measurement

TM935.1

A

迪娜

2014-07-23)