基于MSP430單片機的高精度數字頻率計設計

中南大學物理與電子學院 李聯炳 馬曉婷

基于MSP430單片機的高精度數字頻率計設計

中南大學物理與電子學院 李聯炳 馬曉婷

在電路設計中，頻率是一個常被使用的量，目前很多示波器也增加了測頻功能，但市場上鮮有體積小、精度高的數字頻率計?；贛SP430F425單片機，設計出了一款體積小且精度高的多功能數字頻率計，可完成對信號頻率、周期、脈寬、占空比的測量。整個系統主要由放大整形、數據處理、LCD顯示三部分組成。在低頻段，系統采用“周期法”測頻，在高頻段則采用“閘門法”，測頻相對誤差低至0.006%。同時，為適應不同的應用場合，提出了一種測頻精度可調的系統。

MSP430F425；高精度；測頻

引言

MSP430系列單片機是TI公司推出的一系列優秀的混合型微處理器產品，全系列的MSP430單片機都帶有一個16位的定時器，可用于精確定時、計數。相比STC51系列單片機，MSP430系列單片機的定時器還具有多個捕獲/比較模塊，在無需CPU干預的情況下，能自動根據觸發條件捕獲定時器的計數值，或自動產生各種波形。

在電路設計中，頻率是一個常被使用的量，目前很多示波器也增加了測頻功能，但市場上鮮有體積小、精度高的數字頻率計。利用MSP430F425單片機內部的定時器，本文系統地闡述了基于MSP430系列單片機的測頻原理，并設計出了一個精度可調的大范圍頻率測量系統。

1.測頻原理

在被測信號頻率較高（MHz級別）時，MSP430單片機用Timer_ A定時器或BasicTimer定時器進行1s的精確定時，并在此期間對被測方波信號的脈沖個數進行計數，所得的結果即為被測信號的頻率。此外，還可以通過增加“閘門”的開放時間來提高測頻精度。但在被測信號頻率較低時，特別是在1KHz以下，該方法便不可行。例如，要測量50Hz的方波信號時，要實現0.01Hz的測頻精度，需要產生100s的“閘門”信號，這樣長的測量時間在實際應用中是不可行的。

針對這一問題，在被測信號頻率較低（幾十赫茲至幾千赫茲）時，我們利用MSP430單片機的捕獲/比較模塊進行測頻。具體方案為：Timer_A的主計數器工作在連續計數模式，捕獲模塊設置為上升沿或下降沿觸發，在捕獲中斷服務程序中讀取計數器的值并保存，相鄰兩次捕獲中斷發生時，捕獲值之差即反映了被測信號的周期信息。對于捕獲期間計數器溢出的情況，只需記錄溢出次數即可解決。

2.系統組成及設計

數字頻率計系統的原理框圖如圖1所示?？梢?，整個系統由放大整形模塊、單片機最小系統、按鍵輸入模塊以及液晶顯示模塊組成。其中，放大整形電路用于將微弱信號放大并將正弦波整形為方波，以供給單片機進行邊沿檢測。MSP430單片機對送入的方波信號進行測頻，并進一步計算出輸入信號的周期、脈寬、占空比，這些信息通過鍵盤進行人機交互控制由單片機送去給LCD1602顯示。為了減少對I/O口資源的占用，采用矩陣鍵盤，分別實現對頻率、周期、脈寬、占空比的切換顯示以及“閘門”信號的時長設置。

圖1 數字頻率計系統組成

圖2 波形變換電路原理圖

2.1硬件設計

1）放大整形模塊

放大電路是將微弱信號放大，可用VCA810等增益可調放大器實現。而整形電路是將正弦信號整成單片機所要求的脈沖信號的電路，該部分可用高速比較器LM311設計成滯回比較器，后接兩個反相器，最后連接一個3.3V的穩壓管即可將高電平為3.3V的方波信號送給單片機檢測，電路原理圖如圖2所示。LM311是能工作在5V-30V的高速比較器。其輸出兼容RTL、DTL、TTL以及MOS電路。此外，他們還可以驅動繼電器，開關電壓高達50V，電流高達50mA。

2）單片機最小系統

本設計直接在MSP430開發板上進行，由于該系統僅采用一個MCU進行數據處理和系統控制，因此單片機外圍電路非常簡單。采用“閘門法”測頻時，讓經過整形后的被測信號從TACLK管腳輸入，采用“周期法”測頻時，讓信號從TAx管腳輸入。由于MSP430單片機有較多的I/O口，如MSP430F46xx系列單片機有80多個I/O口，x13x、x14x系列也有48個I/O口，所以可以選任意一組I/O口接矩陣鍵盤和LCD1602，只要不占用上述的兩種管腳即可。

3）鍵盤輸入模塊

獨立鍵盤與單片機連接時，每一個按鍵占用一個I/O口，而單片機的I/O口資源是有限的，為節省I/O口端線，設計采用矩陣鍵盤。其軟件設計可分為三個步驟：①檢測當前是否有按鍵閉合；②去按鍵抖動；③若有鍵閉合，檢測出是哪一個按鍵閉合。本設計的鍵盤掃描查詢方式為行掃描法，鍵盤的電路原理圖如圖3所示。

圖3 矩陣鍵盤電路原理圖

圖4 LCD1602電路原理圖

4）顯示模塊

本設計的顯示模塊由16引腳LCD1602液晶屏構成，為便于對比度的調節，在第三個引腳（Vo端）與電源VCC之間接了一個電位器，8個數據口與三個控制端口直接與MSP430單片機的I/O口相連，該模塊的電路原理圖如圖4所示。

需要注意的是，目前市場上的LCD1602液晶屏多為5V電壓驅動的，而MSP430單片機的I/O口標準電壓為3.3V，直接相連也有可能顯示，但這樣的顯示系統是不穩定的，所以二者相連接時要考慮電平兼容的問題，要么直接購買3.3V驅動的LCD1602，要么通過74LVx4245等邏輯電平轉換芯片間接相連。

2.2軟件設計

頻率、脈寬的測量以及周期、占空比等的計算都由單片機完成，因此軟件設計是數字頻率計的核心。

1）“閘門法”測頻

被測信號頻率較高時，采用“閘門法”測頻，其程序流程圖如圖5所示。測頻開始后，BasicTimer產生1s的精確定時，同時主計數器開始計數，CPU處在休眠狀態等待基礎定時器喚醒，當主計數器產生溢出中斷時，記錄溢出次數的變量自增一次，當BasicTimer的定時中斷發生時，讀取主計數器的值以及溢出次數即可計算出被測信號的頻率，隨后溢出次數清零，主計數器重新開始計數，單片機將頻率、周期信息送去給LCD1602液晶屏顯示。

2）“周期法”測頻

被測信號頻率較低時，采用“周期法”測頻，其程序流程圖如圖6所示。捕獲/比較模塊設置為上升沿或下降沿捕獲。當主計數器發生溢出中斷時，記錄溢出次數的變量自增一次，當捕獲中斷發生時，讀取當前計數器的值、溢出次數以及保存的前一次捕獲值。由這三個量和時鐘源頻率即可確定被測信號的頻率。如果將程序設置為上升沿下降沿均捕獲（CM_3），則相鄰兩次捕獲值之差即反映了輸入方波信號的脈寬。

圖5 “閘門法”測頻的程序流程圖

3）“閘門”時長可控的大范圍測頻

以上兩種方法是分開使用的，然而實際應用中往往要求頻率計有較大的測頻范圍。因此，可以讓FPGA與MSP430單片機聯合測頻，二者的I/O口高電平均為3.3V，所以共地后可以直接相連。在此方案中，FPGA負責脈沖次數的統計及存儲，而MS430單片機負責“閘門”信號時長的控制和顯示控制，用戶根據被測信號的頻率可直接通過鍵盤增大或減小“閘門”的開放時間，以實現大范圍、高精度、高效率的頻率測量。其系統框圖如圖7所示，實物圖如圖8所示。

圖6 “周期法”測頻程序流程圖

圖7 “閘門”時長可調的大范圍測頻系統框圖

圖8 “閘門”可調的數字頻率計

3.測量結果

“閘門”可調的數字頻率計，其測頻結果如表1所示；從表中數據可知，當“閘門”信號的時長一定，被測信號為1MHz時，測頻的相對誤差在為0.02%左右，而在數十兆赫茲時，相對誤差在0.006%左右，可見“閘門法”適用于測量較高頻率的信號。

表1 “閘門法”測頻結果

4.結論

本文提出了一個基于MSP430單片機的高精度頻率計系統。單片機的定時器與比較/捕獲模塊的配合使用可實現對輸入信號頻率的快速高精度測量，且整個系統結構簡單，易于實現。但此測量方法也存在一定的局限性，如選用MSP430F42x系列單片機時，通過TAx管腳輸入信號的頻率不能超過10MHz，這限制了頻率計的使用。如果要實現對頻率信號地精確測量，可以將MSP430單片機與FPGA配合使用，FPGA實現對信號的頻率、脈寬、相位差的測量，而單片機實現對數據的處理和人機交互，這將大大提高頻率計的適用范圍，其功能也更加豐富。

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High-precision digital frequency meter design based on MSP430 micro controller

LI Lian-bing MA Xiao-ting
（School of Physics and Electronics， Central South University， Changsha 410083， China）

In circuit design， frequency is a commonly used quantity， so far in the market，there are many oscilloscopes with the frequency measurement function， but we can seldom see digital frequency meter in the market. Based on MSP430F425 micro controller， the design is devised with small volume， high precision and multi-function digital frequency meter， and it can be used in the measurement of signal frequency， period，pulse width，and duty cycle. The whole system mainly consists of voltage amplify and waveform shaping， data processing， and LCD display . At low frequency band， the system uses the "period method" frequency measurement，while at high frequency band，it uses the"gate method" ， with which the relative frequency measurement error can be controlled below 0.006%. In order to adapt to different applications， we also proposed an adjustable frequency measurement accuracy system.

MSP430F425；High-precision；Frequency measurement

李聯炳（1995-），男，云南麗江人，中南大學物理與電子學院電子信息科學與技術系本科生。

馬曉婷（1995-），女，浙江嘉興人，中南大學物理與電子學院電子信息科學與技術系本科生。