基于內嵌Cortex-M3內核FPGA的等精度頻率計設計

王立華，周松江,2a，高世皓,2b，張 恒

(1.山東科技大學 電子通信與物理學院， 山東 青島 266590；2.北京郵電大學 a.信息光子學與光通信研究院， b.泛網無線通信教育部重點實驗室， 北京 100876)

基于內嵌Cortex-M3內核FPGA的等精度頻率計設計

王立華1，周松江1,2a，高世皓1,2b，張 恒1

(1.山東科技大學 電子通信與物理學院， 山東 青島 266590；2.北京郵電大學 a.信息光子學與光通信研究院， b.泛網無線通信教育部重點實驗室， 北京 100876)

為了提高頻率計的測量精度和系統性能，解決在傳統的頻率計中無法實現高低頻率等精度測量的情況，采用京微雅格公司的M7系列FPGA，設計了一種基于SOPC技術的等精度多功能頻率計。該頻率計以內嵌Cortex-M3內核的FPGA芯片為控制核心，通過對FPGA模塊和Cortex-M3內核部分的設計，并借助AHB接口的FIFO實現FPGA與Cortex-M3內核之間的數據通信，完成了1Hz～50MHz范圍內等精度頻率計的設計。通過ModelSim軟件仿真和硬件實測表明，該頻率計可以完成等精度頻率和占空比的測量功能，具有精度高、實時性好等特點。

頻率計； 等精度； 可編程片上系統； 現場可編程門陣列； 高性能總線； Cortex-M3

0 引 言

頻率是電子領域中最基本的參數，傳統的測頻方法有直接測量法、周期測量法和分頻測量法等，這些方法往往只適用于測量一段頻率，而無法實現高低頻率等精度的要求。在技術上，傳統的頻率計大都采用單元電路或單片機進行設計，使頻率計存在結構復雜、穩定性差且測量范圍小等缺點[1-4]。基于此，本文以京微雅格公司的M7系列FPGA為設計載體，利用SOPC技術和等精度測量原理，在一片內嵌Cortex-M3內核的FPGA芯片上完成頻率計的設計。系統充分發揮FPGA的高速數據處理能力，完成對待測信號的測量計數；利用Cortex-M3的數據運算與人機交互能力，完成對測量數據的計算與顯示工作。該系統可以實現頻率測量和占空比測量功能，具有測量精確、穩定性高、調試方便等特點[5-7]。

1 系統工作原理與結構

1.1等精度測量原理

等精度測量法的測量原理如圖1所示，其最大的特點是實際閘門時間并不是一個固定值，而是一個與被測信號有關的值，且剛好為被測信號周期的整數倍。在啟動測量之后，首先給出一個預置閘門時間，然后等待被測信號下一個上升沿的到來。當被測信號的上升沿到達后，將預置閘門時間信號與被測信號進行同步，同時用兩個計數器分別對被測信號和標準信號進行計數。當預置閘門時間結束后，被測信號的下一個上升沿到達時兩個計數器停止計數。此時會得到兩個計數值，然后結合標準信號的頻率值，即可得到被測信號的頻率[8-10]。

圖1 等精度測頻法測頻原理圖

假設在一次測量中，實際閘門時間為T，被測信號計數器和標準信號計數器的計數值分別為Na和Nb，標準信號的頻率為f0，根據測量原理可計算出被測信號的頻率為：

f=(Na/Nb)f0

(1)

式中:f為被測信號頻率的測量值，若信號的實際頻率為f′，則測量誤差為：

(2)

若忽略標準信號的頻率誤差，并根據式(1)，可得被測信號實際頻率的表達式為：

(3)

聯立式(1)～(3)可得：

(4)

由此可知，采用等精度測量法測量頻率時，所選擇的閘門時間越長，標準信號的頻率越高，頻率測量的誤差就會越小[11-14]。假設標準信號的頻率為100 MHz，閘門時間為1 s，那么其精度可達到10-8。

另外，占空比的測量方式描述如下：在對閘門時間內標準信號進行計數的同時，還需要對在閘門時間內被測信號高電平時間段的標準信號進行計數[15]。設兩個計數器的計數值分別為Nb和Nc，那么可得到被測信號的占空比為[16]：

D=(Nc/Nb)×100%

(5)

1.2系統總體結構

頻率計系統的總體結構圖如圖2所示。本系統選用京微雅格公司M7系列的FPGA芯片CME-M7A12N0F484C7，該芯片集成了主流的ARM Cortex-M3內核和高性能FPGA邏輯單元，FPGA邏輯性能高達200 MHz，而ARM Cortex-M3內核最大頻率可達300 MHz。利用AHB(Advanced High performance Bus)總線連接FPGA、ARM Cortex-M3內核和各個外設，實現了高速數據傳輸。

圖2 系統總體結構圖

在圖2所示的系統中，鎖相環IP核部分用來產生各類時鐘信號，AHB接口的FIFO IP核作為FPGA與Cortex-M3內核之間通信的中介。而具有人機交互優勢的Cortex-M3內核通過GPIO來輸入外部信號以及控制LCD12864進行顯示。同時數據通過UART傳輸至電腦端的上位機軟件，用于系統設計與調試。

哪有天天不舒服的？這分明是在找借口逃課嘛！可是，看著妍妍緊皺的眉頭、蒼白的嘴唇和痛苦不堪的表情，又確實不像裝的。

1.3系統工作原理

在圖2所示系統中，時鐘信號(clk)進入鎖相環電路后產生多個高頻時鐘信號用于各個FPGA模塊和Cortex-M3內核工作。被測信號(signal)輸入至頻率占空比一體化測量模塊中進行測量并產生測量數據(Na、Nb和Nc)和數據有效信號(valid)，然后利用FPGA寫FIFO控制模塊將測量數據按照時序要求寫入到AHB接口的FIFO中，在每次寫完數據之后產生一個寫完成信號(w_done_f)，并通過一個IO口輸出。系統的Cortex-M3內核中有一個32位的GPIO，其中有一位與寫完成信號(w_done_f)相連。當Cortex-M3檢測到寫完成信號后，利用AHB系統總線讀取FIFO中的數據，然后對讀取的數據進行運算得到被測信號的頻率值和占空比值，利用UART將數據傳輸至電腦端的上位機，并通過GPIO來控制外部LCD12864顯示器進行顯示。

2 FPGA模塊設計

圖2所示系統中的FPGA部分主要用于完成頻率和占空比的測量工作，其一體化設計結構圖如圖3所示,主要由5個部分構成，分別是預置閘門時間產生模塊、同步電路、計數器模塊、有效信號產生模塊和FIFO寫控制模塊。在圖3中，clk_50MHz為時鐘信號輸入端，rst為復位信號輸入端，signal為被測信號輸入端，clk_S為標準信號輸入端，Na、Nb和Nc為3個計數器的計數值，valid為數據有效信號，wen為FIFO寫使能信號輸出端，wdata為FIFO寫數據輸出端，w_done_f為寫完成信號輸出端。

圖3 測頻、測占空比一體化設計結構圖

2.1預置閘門時間產生模塊

預置閘門時間產生模塊內部是一個分頻電路，將輸入的時鐘信號(clk_in)分頻產生頻率為2 Hz的時鐘信號，通過時鐘輸出端(clk_out)輸出，并將其高電平時間段作為預置閘門時間，其時間長度正好為1 s。

2.2同步電路

圖3中的同步電路是一個D觸發器。在該系統中，為了測量的準確性，需要保證實際閘門時間為被測信號周期的整數倍，因此本系統利用D觸發器的同步功能，將被測信號作為同步電路的時鐘輸入端，預置閘門時間信號作為同步電路的D輸入端，這樣其輸出即為與被測信號同步的實際閘門時間。

另外，為了能夠測量信號的占空比，系統采用門電路的方式，將實際閘門時間信號與被測信號相“與”(AND I)，其輸出作為被測信號的計數信號，同時將其與標準時鐘信號相“與”(AND II)，得到閘門時間內被測信號高電平時間段標準信號的計數信號。系統中兩個非門(NOT I與NOT II)起到微延時的作用，使系統工作更加穩定，測量更加準確，其本身對信號的邏輯關系沒有任何影響。

2.3計數器模塊

圖3系統中有3個計數器模塊，其工作原理描述如下：當計數使能端(en)上升沿到達時，計數器開始對由clk端輸入的信號進行計數，而計數使能端(en)下降沿到達后停止計數，同時將計數值鎖存并通過count_num端輸出，然后將計數器內部計數值清零，以用于下一次計數。

在該系統中，需要對閘門時間內各個信號的個數進行計數，所以將實際閘門時間信號(同步電路的輸出信號)作為3個計數器的計數使能信號。3個計數器中，計數器I用于對被測信號進行計數，計數器II用于對被測信號高電平時間段的標準信號進行計數，計數器III用于對標準信號進行計數。根據測量原理，假設閘門時間內3個計數器的計數值分別為Na、Nc和Nb，標準信號的頻率為f0，那么可得被測信號的頻率為：

f=(Na/Nb)f0

(6)

D=(Nc/Nb)×100%

(7)

2.4有效信號產生模塊

圖3中，有效信號產生模塊是在每次測量完成產生新的數據之后，將其輸出端(valid)置高。該模塊利用實際閘門時間信號來產生輸出信號，若實際閘門時間信號為高，此時正處于測量過程中，該模塊的輸出(valid)為低；當實際閘門時間信號變為低之后，數據測量完成，此時將模塊的輸出(valid)置為高電平。利用該信號可以控制FIFO寫控制模塊每次將有效的數據寫進FIFO。

2.5FIFO寫控制模塊

FIFO寫控制模塊的輸入信號有時鐘信號(clk)、復位信號(rst_n)、3個測量數據(Na、Nb和Nc)和數據有效信號(valid)，模塊的輸出信號為FIFO寫使能信號(wen)、FIFO寫數據信號(wdata)和寫完成信號(w_done_f)。該模塊就是根據FIFO寫數據的時序，在數據有效(valid為高)之后將測量所得的數據依次寫進FIFO中進行緩存，在寫完之后將寫完成信號(w_done_f)置高。如果檢測到數據有效信號(valid)為低，則將寫完成信號(w_done_f)置低。

3 系統軟件設計

本文所設計的頻率計是利用FPGA內嵌的Cortex-M3內核完成數據的接收、處理和顯示工作，在Keil開發平臺下利用C語言對系統軟件進行設計。系統軟件的程序流程圖如圖4所示。

系統開始運行后，首先進行系統初始化，包括初始化串口、初始化GPIO和初始化LCD12864等。之后系統就進入了主循環，首先檢測寫完成信號是否有效，如果無效則一直循環檢測，當寫完成信號有效之后則停止檢測，按照順序依次讀取FIFO地址下的3個數據，然后按照公式計算出被測信號的頻率值和占空比值。接下來系統控制串口將數據傳輸至電腦，并利用GPIO控制外部LCD12864對測量結果進行顯示。當上述工作全部完成之后，再次檢測寫完成信號，如果其仍然有效，則一直循環檢測此信號，直到其無效為止，然后回到主循環開始處，執行下一次循環。

圖4 系統軟件程序流程圖

4 實驗結果

4.1FPGA模塊仿真

根據等精度測量的原理和FPGA模塊結構設計，利用Verilog硬件描述語言對測頻、測占空比一體化設計結構進行設計，并利用ModelSim軟件對其整體進行功能仿真。如圖5、6所示為頻率計的整體仿真結果，其中測試信號的頻率是5 Hz，占空比為80%。由圖5可見，預置閘門時間、被測信號和實際閘門時間等信號的時序與等精度測量原理圖相一致，同時測量所得的3個計數值準確，與測試信號的頻率、占空比相符。從圖6中可以看出，FIFO寫控制模塊按照時序要求將測量所得的3個數據依次輸出至FIFO中，同時在寫完成之后將寫完成標志置高。

4.2硬件實現與測試

利用Keil軟件完成Cortex-M3內核軟件的設計工作，并將其產生的HEX文件導入京微雅格的EDA設計工具Primace中，與所設計的FPGA模塊一并生成比特流數據，并將其下載至M7開發板中，按照設計結構將外部引腳進行連接，即完成了頻率計系統的硬件實現。該頻率計利用LCD12864對測試結果進行顯示，采用自動量程的方式，無需人工調整。

利用本文所設計的頻率計對測試信號的頻率和占空比進行測試，然后對結果進行分析，圖7所示為系統測試圖。

圖5 頻率計整體仿真結果

圖6 FIFO寫控制模塊仿真結果

圖7 系統測試圖

表1是本頻率計的一組測試數據，通過對被測信號的頻率、占空比和測試所得的頻率值和占空比值相比較可知，在所給的測量范圍之內，頻率測量誤差均小于10-4，占空比測量誤差的絕對值均小于10-2。測量結果的誤差分布在同一個數量級，并沒有因為頻率值的變化而變化，從而達到了等精度測量的目的。

表1 頻率計系統實驗測試數據

5 結 語

本文以京微雅格公司的M7系列FPGA為設計載體，利用SOPC技術和等精度測量原理，在一片內嵌Cortex-M3內核的FPGA芯片上完成了頻率計的設計，可以實現頻率測量和占空比測量功能。利用Verilog硬件描述語言完成FPGA模塊的設計，并利用ModelSim軟件對其進行仿真驗證。通過Keil軟件完成Cortex-M3內核的軟件設計，利用Primace工具進行分析、綜合，并最終下載到芯片中，完成系統的硬件實現。通過實際測試，系統可以很好地完成頻率測量與占空比測量功能，并達到了等精度測量的目的。

[1] 張 博，曹學沿，房 亮.基于VHDL的簡易數字頻率計的設計[J].傳感器世界，2013(5)：29-34.

[2] 陳尚志，胡榮強，胡合松.基于FPGA自適應數字頻率計的設計[J].中國測試技術，2007，33(2)：141-144.

[3] 曹浩彤，劉 艷.基于430單片機的簡易頻率計設計[J].微型機與應用，2014，33(21)：92-94.

[4] 謝尚港，王佳豪，黃繼業.基于FPGA移相倍頻方式的頻率計設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2016(4)：29-31.

[5] NING Zehong,XU Dawang,DONG Zhanyong.Frequency measurement technique based on frequency conversion[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation,2013,4(2): 146-149.

[6] 郝統關，程 明.基于FPGA Nios II的等精度頻率計設計[J].電測與儀表，2009，46(2)：56-58.

[7] 黎山峰，楊 雷，孫建軍.基于NiosⅡ的FPGA頻率計設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2016(8)：105-108,112.

[8] 黃 俊，余水寶.基于STC12C5A60S2的高頻高精度頻率計的設計[J].微型機與應用，2012，31(17)：22-24.

[9] 曹作寶，包曉敏，彭 霄.基于NIOS II的多功能數字頻率計的設計[J].工業控制計算機，2009(10)：74-75.

[10] DU Baoqiang,WANG Yanfeng,CUI Guangzhao,etal.High-precision time and frequency measurement method combining time-space conversion and different frequency phase detection[J].Science China(Physics,Mechanics & Astronomy),2013,56(11): 2110-2115.

[11] Fang Yiyuan,Chen Xuejun.Design of equal precision frequency meter based on FPGA[J].Engineering,2012,4 (10): 696-700.

[12] 王 慧.基于FPGA高速高精度頻率測量系統的實現[J].傳感器世界，2006(1)：27-29.

[13] 李鑫彪，王笑怡.基于FPGA的頻率測量儀設計[J].微處理機，2014(10)：5-7.

[14] 井新宇.基于SOPC的FPGA Nios II嵌入式等精度頻率計設計[J].實驗室研究與探索，2012，31(6)：217-220.

[15] 許可行，劉延飛，羊 帆.基于多周期同步測量的頻率計設計[J].國外電子測量技術，2016(9)：76-80.

[16] 謝尚港,王佳豪,黃繼業.基于FPGA移相倍頻方式的頻率計設計與實現 [J].自動化與儀器儀表,2016(4): 29-31.

Design of Equal Precision Frequency Meter Based on FPGA with Embedded Cortex-M3 Core

WANGLihua1,ZHOUSongjiang1,2a,GAOShihao1,2b,ZHANGHeng1

(1.School of Electronic Communication & Physics,Shandong University of Science & Technology,Qingdao 266590,Shandong,China; 2a.Institute of Information Photonics and Optical Communication,2b.Key Laboratory of Universal Wireless Communications,Ministry of Education,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)

In order to solve the problem that the traditional frequency meter cannot achieve equal precision in high or low frequency measurement,improve the precision and performance of frequency meter,an equal precision frequency meter based on SOPC is designed in this paper.An FPGA chip that is embedded with Cortex-M3 as the system’s controlling core,through the design of FPGA module and Cortex-M3 module,data communication between FPGA and Cortex-M3 is achieved by FIFO with AHB interface.The device completes the design of equal precision frequency meter in 1Hz～50MHz range.By ModelSim software simulation and hardware testing,the frequency meter can complete equal precision frequency and has duty ratio measuring function,and has the characteristics of high precision and good real-time.

frequency meter; equal precision; system-on-a-programmable chip (SOPC); field-programmable gate array (FPGA); advanced high performance bus (AHB); Cortex-M3

2016-11-10

王立華(1971-)，男，山東濰坊人，副教授，碩士生導師，主要從事嵌入式應用、光伏發電技術和通信技術的教學與研究。

Tel.：13730917192；E-mail：wanglihua7141@126.com

TM 935.13

：A

1006-7167(2017)07-0139-05