基于TM4C123系列單片機的頻率測量系統設計

錢鑫洪

【摘 要】隨著電子技術的不斷發展，對精確的頻率測量提出了越來越高的要求。TM4C123系列單片機是由ARM公司推出的基于ARMv7架構的高性能、低功耗32位處理器，具有高效的信號處理及浮點運算功能。設計基于TM4C123單片機的頻率測量系統，通過周期性矩形脈沖產生的上升沿或下降沿中斷來捕獲相關的頻率信息。具有結構簡單、測量精度高、系統成本低等優點。

【關鍵詞】頻率測量；TM4C123；單片機

中圖分類號： F426.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0037-002

Design of Frequency Measurement System Based on TM4C123 Microcontroller

Qian Xin-hong

（Zhejiang University Tongji University， Jiaxing Zhejiang 314051，China）

【Abstract】With the continuous development of electronic technology， more and more high requirements are put forward for accurate frequency measurement. The TM4C123 family of microcontrollers is a high-performance， low-power， 32-bit processor based on the ARMv7 architecture from ARM Corporation with efficient signal processing and floating-point arithmetic. The frequency measurement system based on TM4C123 is designed to capture the relevant frequency information by the rising or falling edge of the periodic rectangular pulse. Has the advantages of simple structure， high measurement accuracy， low system cost.

【Key words】Frequency Measurement； TM4C123； SCM

頻率測量系統主要有外圍輔助模塊和單片機主控模塊兩部分組成。

1 輔助模塊

外圍輔助模塊：主要由運放模塊，整形模塊，分頻模塊，顯示模塊組成。系統方框圖如圖1所示。

（1）運放模塊：輸入的待檢測信號能量有可能很微弱，需要使用放大電路將小信號放大。故采用OPA系列中的OPA2365（2.2V、50MHz低噪聲單電源軌至軌運算放大器）搭建運算放大電路，其單位增益頻帶寬度為50MHZ，相應放大倍數時的信號失真率較少，并且其芯片與單片機輸出電壓相匹配，較為方便。

（2）整形模塊：在數字測量系統中，由傳感器送來的信號波形邊沿較差，并且單片機只能對脈沖波進行計數，而實際待測頻率信號是多種多樣的，有脈沖波、正弦波、三角波等等，所以需要一個整形電路，把待測信號轉化為可以進行計數的脈沖波。利用tlc372（雙路通用LinCMOS差動比較器）搭建過零比較器，其閾值電壓為0V，集成運放工作在開環的狀態，輸出的電壓為+Uom或者-Uom。當輸入電壓小于0V時，Uo=Uom；當輸入電壓大于0V時，U0=-Uom。整形電路使正弦波變成方波。整形波形如圖2所示。

（3）分頻模塊：考慮到單片機的計數器的計數能力有限，無法對過高頻率進行測量，所以對待測信號先進行了十分頻，提高測量頻率的范圍，還能改善頻率測量的精度。利用74LS161、7400N和觸發器7474N組成一個分頻電路，74LS161芯片有計數的功能，再利用7400N的與非門接上7474N的觸發功能就形成了一個簡單的分頻電路。

（4）顯示模塊：LED液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量的文字、圖形，比較多樣化。但是價格昂貴，而且需要的接口也比較多，所以此系統不采用LED液晶顯示屏。而是采用有顯示功能的LCD，厚度薄、重量輕、功耗低、工作電壓低、無輻射無閃爍還能直接與COMS集成電路匹配，相對于LED液晶顯示價格便宜且接線簡易易于控制。

整個外圍輔助模塊的電路如圖4所示：

2 單片機主控模塊

將上述分頻模塊得到的方波脈沖信號接入單片機的gpio口，利用單片機的外部中斷和定時器中斷，便可設計頻率測量算法。

測量方法的選擇：

（1）定時法：又稱測周期法，是一種間接測量方法，利用周期和頻率互為倒數的關系，通過測量待測信號的周期來獲得它的頻率，將待測信號轉化成矩形波，加定時器/計數器T1的輸入腳及外部中斷INT1口，當 GATE1=1，TR1為1時，只有INT1引腳輸入高電平時T1才被允許計數，利用GATE1的這個功能可以測量 INT1引腳上正脈沖的寬度，通過數據處理變換成頻率值[1]。

（2）計數法：所謂頻率就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數，若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數為N，則其頻率可表示為f=N/T[2]。計數法測量頻率實際上就是在1s時間內對信號進行計數，計數值N就是信號頻率。利用單片機的兩個定時器Timer 1A和Timer 1B，可以用Timer 1A來定時，Timer 1B對整形后的矩形脈沖信號上升沿進行計數，計數結果自動保存在寄存器中。兩者均應該工作在中斷方式 ， Timer 1A中斷用于實現定時1s，Timer 1B中斷用于擴展計數器溢出。當Timer 1A定時1s到達，通過中斷停止Timer 1B的計數，從計數器中讀出測量的數據。

本系統采用第二種方法，軟件流程如圖5所示。

定時器 Timer1 中的Timer 1A和Timer 1B同時啟動，用于測量輸入頻率。Timer 1A采用捕獲模式響應輸入信號的硬件中斷，而Timer 2B設定為溢出計時的工作模式。 根據不同的輸入頻率計算輸入信號的周期，并換算得到信號頻率。如圖6所示， 輸入信號上升觸發可以得到 T1、 T2 兩個中斷點的定時器值。 根據圖6的構思可以得到輸入信號的周期：TP=T2-T1+T0×M

3 結語

測了七組數據，測量結果如下：

可見，基于TM4C123系列單片機的頻率測量系統能在保持低功耗低成本的同時，具有較高的測量精度。

【參考文獻】

[1]劉一農，羅志會.基于單片機的高精度頻率測量儀的設計[J].三峽大學學報，2009（3）：73-76.

[2]陳曉榮，蔡萍.基于單片機的頻率測量的幾種實現方法[J].工業儀表與自動化裝置，2013（1）：40-42.

[3]趙月靜，陳繼榮.單片機原理及應用課程創新實踐教學改革[J].實驗技術與管理，2011（5）：177-179.