一種帶回顯和校準功能的多功能動態測頻儀設計

摘要：頻率測量在電子工程領域、醫學領域有著廣泛應用，為了提升在測量過程中系統的動態監測性能、獲取頻率的動態變化，文章提出了一種帶回顯和校準功能的多功能動態測頻儀設計。該多功能動態測頻儀具有測頻、測溫、時間顯示等基本功能，用戶通過按鍵實現功能切換和參數設置；當頻率測量結果的變化超過設置范圍時，觸發AT24C02記錄此頻率結果以及發生時間，計算和記錄平均頻率，供用戶翻查；還能通過按鍵調整校準值，實現測量結果的自動校準和修正。實驗測試結果表明，該多功能動態測頻儀能夠準確檢測頻率測量的動態變化，測量精度高，參數穩定，可用于醫學領域的動態心率監測、汽車故障動態信號的診斷監測等場合，為病情或故障判斷提供參數依據。

關鍵詞：回顯；校準；動態；頻率

中圖分類號：TN98" 文獻標志碼：A

0 引言

頻率不僅是系統性能評估的關鍵指標，也是系統精確控制和優化的基礎。頻率測量^［1］在電子工程領域、物理和生物學領域、醫學領域等都有非常廣泛的應用。在汽車故障診斷中，維修人員通過測量傳感器輸出信號的頻率，可以判斷傳感器是否有故障；所測頻率的動態變化信息還可以輔助維修人員判別故障發生的時刻和原因。在醫學領域，心電圖、腦電圖等生理信號的頻率分析對診斷疾病具有重要意義。醫生在對心臟功能異常的病人進行心率測量時，不僅須要獲知病人實時的心率數值結果，還須要獲取心率異常發生的時間、數值、次數等信息，以輔助對病人的病情做出準確的判斷。為了提升系統的動態監測性能、獲取頻率測量的動態變化信息，本文提出一種帶回顯和校準功能的多功能動態測頻儀。

該多功能動態測頻儀具有頻率測量^［2］、環境溫度測量、時間顯示等基本功能，通過按鍵實現功能界面切換和參數設置，系統功能全面。為了提高測量精度和穩定性，本設計設置了校準值，實現測量結果的自動校準和修正。在測頻過程中，本設計為了檢測頻率的動態變化，利用存儲芯片AT24C02動態記錄平均頻率、最大頻率值及發生時間，供用戶翻查。當測頻結果超出設定的界限值時，本設計的LED發光報警。

1 系統總體設計

該多功能動態測頻儀的硬件模塊由單片機、獨立按鍵、數碼管、溫度傳感器、實時時鐘、EEPROM、LED指示燈幾部分構成，如圖1所示。本設計選用增強型IAP15F2K61S2作為系統的主控芯片，選用八位數碼管實時顯示各種測量信息，包括頻率測量值、當前時間、當前溫度、設置校準值、回顯信息等。本設計的4個獨立按鍵包括“界面”“選擇”“加”“減”按鍵，用來切換和選擇各種顯示界面，實現數據的加減功能。本設計的EEPROM選用芯片AT24C02來存儲各種測量結果，供用戶查詢。本設計選擇DS1302實時時鐘芯片獲取當前時間信息，選擇DS18B20溫度傳感器^［3］實時檢測當前環境溫度信息，LED指示燈用來指示各種測量狀態及超限報警。

本設計接通電源后，通過讀取DS1302 RTC芯片獲取時間數據，八位數碼管默認顯示當前時間。用戶通過控制“界面”按鍵的按鍵次數，來切換數碼管的頻率顯示、溫度顯示、時間顯示、參數設置、回顯翻查共5個顯示界面。“選擇”按鍵在不同的界面模式下有不同的功能，在參數設置界面時，用來選擇設置超限參數或校準值；在回顯翻查界面時，用來選擇最大頻率回顯、平均頻率回顯或時間回顯。當所測頻率比上次測量結果變化超出500 Hz時，本設計觸發一次記錄功能，記錄此最大頻率值及發生時間，在回顯翻查時可以查詢到最大頻率、最大頻率的發生時間、平均頻率等信息。本設計具有頻率數據校準功能，可以通過獨立按鍵設置校準值參數的范圍，最大取值范圍-900～900 Hz。直接測量到的頻率數據加校準值參數，作為頻率數據的最終結果。

根據測量原理，頻率測量分為直接法和間接法2種。直接法又分為計時法和周期計數法，本設計采用的是直接法的周期計數法，直接計算出單位時間內所測脈沖信號的周期性次數。本設計把所測的脈沖信號和單片機的P3.4引腳相連，單片機的定時器T0工作在定時狀態，用來定時1 s，T1工作在計數狀態^［4］。在T0定時1 s的過程中，同時T1對所測脈沖信號進行計數。當T0定時1 s時間到時，停止定時器T1的計數，則T1的當前計數值即為測量到的頻率數據。系統內置頻率校準值參數，直接測量到的頻率數據加上校準值參數，即為頻率數據的最終結果。校準值參數可以根據實際需要，通過“加”和“減”鍵進行調整。

2 系統硬件電路設計

2.1 DS1302

本設計選用DALLAS公司生產的DS1302^［5］串行實時時鐘高性能芯片，采用SPI三線接口與單片機進行同步串行通信。該芯片內部有電源控制模塊、時鐘電路、實時時鐘RAM、命令控制邏輯和輸入移位寄存器模塊。時鐘電路主要是對外接晶振進行頻率分頻，最終輸出1Hz的標準計時頻率。實時時鐘RAM有31字節寄存器，用于存放臨時性的年、月、日、時、分、秒計時數據，只須對這些寄存器讀寫就可以訪問時間，具有閏年補償功能。電源控制模塊采用雙電源（主電源和備用電源）供電，工作電壓為2.0～5.5 V，在上電時，芯片會以主電源當做電源，同時會對備用電源進行充電，一旦掉電，芯片就會自動切換到備用電源，保障時鐘繼續運行。

DS1302在本設計中用來提供實時時鐘信息，芯片與單片機的連接如圖2所示。芯片的引腳X1和X2外接的32.768 kHz晶振是芯片的振蕩源，為時鐘模塊提供一個穩定且長久的振動頻率。芯片的1號引腳和8號引腳，分別為備用電源和主電源引腳，在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。SPI三線接口包括RST、I/O、SCLK 3個引腳，它們分別和單片機對應的IO口相連。RST引腳為復位/片選線，在讀寫數據期間，必須為高電平，該引腳使用時須要外接上拉電阻；I/O引腳是串行數據的雙向輸入輸出線；SCLK引腳為串行時鐘輸入端，控制數據的輸入和輸出。

芯片的內部RAM寄存器包括日歷時鐘相關的7個寄存器、寫保護寄存器、充電寄存器、時鐘突發寄存器、RAM相關的多個寄存器等。日歷時鐘相關的7個寄存器，分別為秒、分、時、周、日、月、年寄存器，每個寄存器都有自己的存儲格式，以BCD碼形式存放時間。單片機讀取DS1302的時間或者向DS1302寫入初始時間時，都是通過發送不同的命令字實現的，命令字的格式如圖3所示。在存取日歷時鐘數據時，命令字的第六位為1；第五位到第一位的二進制組合用來選擇操作秒、分、時、周、日、月、年、寫保護等寄存器；第零位為1表示讀操作，為0表示寫操作。當讀取時鐘寄存器時，寄存器地址為81H-8DH的奇地址；當對時鐘寄存器進行寫操作時，寄存器地址為80H-8CH的偶地址。

2.2 EEPROM

本設計使用I2C總線的EEPROM芯片AT24C02^［6］來存儲相關信息。該總線是由Philips公司開發的一種雙向二線制同步串行總線。該芯片是掉電不丟失的存儲器，芯片內部含有256個8位字節單元。該芯片體積小、占用的空間非常小、控制簡單、通信速率較高。本設計利用AT24C02存儲測量的最大頻率、發生時間、平均頻率等信息，供用戶查詢，詳細的電路連接如圖4所示。二線制是指數據線SDA和時鐘線SCL，使用時一般和單片機的IO口相連并須要外接上拉電阻。

單片機對AT24C02操作時，要遵循該芯片的讀寫時序，配合起始信號、應答信號、終止信號等完成讀寫操作。

當單片機對AT24C02執行字節寫入操作時，單" 片機首先發送1個啟動信號來啟動發送過程。接下來單片機要分別發出1個寫芯片地址、1個要寫操作的存儲器單元地址、1個要寫入的8位數據給AT24C02。這3個信息都要等待AT24C02發出應答信號后才能發出下一個，最后單片機發出1位終止信號終止發送。

當單片機對AT24C02執行當前地址讀操作時，單片機同樣發送1個啟動信號、1個寫芯片地址選中芯片。和寫操作不同的是，單片機再發送1個讀芯片地址給AT24C02，得到AT24C02的應答后，則讀單元的數據就會按時鐘信號同步出現在SDA線上，當單片機讀取完數據后，發出1位終止信號終止讀過程。

3 軟件設計

本設計的初始狀態是八位數碼管顯示的時間界面，用戶通過按下“界面”“選擇”“加”“減”4個獨立按鍵來切換選擇各種功能顯示界面，實現參數數據的加減功能。當系統處于某種功能界面時，數碼管就顯示該功能的測量數據信息，對應的LED燈點亮指示當前的測量狀態。當測量結果超限時，相應的LED發光報警。本設計的程序流程如圖5所示。

4 實驗結果

本設計是利用單片機綜合實訓平臺來測試結果，所需測量頻率的脈沖信號和單片機P3.4引腳相連。實訓平臺一上電，8位數碼管顯示當前時間“10-12-26”。若用戶按下“界面”按鍵一次，啟動單片機的測量頻率功能，指示燈L1點亮，數碼管顯示如表1所示，8位數碼管顯示本次測量頻率的結果1268，單位為Hz，“F”表示當前為測頻狀態，每次測量的數據寫入AT24C02中保存。如果改變所測脈沖信號的頻率，數碼管顯示的頻率結果隨之變化。

此時用戶第二次按下“界面”按鍵，系統切換到測溫度界面，指示燈L2點亮，DS18B20把所測數據傳輸給單片機，8位數碼管實時顯示當前溫度，“C”表示當前為測溫狀態。第三次按下“界面”按鍵，切換到當前時間顯示界面，指示燈L3點亮。第四次按下“界面”按鍵，切換到參數界面，指示燈L4點亮。第五次按下“界面”按鍵，切換到回顯界面，指示燈L5點亮。

在參數界面時，用戶第1次按下“選擇”按鍵，數碼管顯示界面如表2所示，顯示超限報警的頻率值為5000 Hz，如果所測頻率大于該超限報警值，L6閃爍；第2次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表3所示，顯示當前頻率的校準值為400 Hz。此時，可以按下“加”或“減”按鍵來修改超限報警值和校準值。

在回顯界面時，用戶第1次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表4所示，顯示所測的最大頻率值為12678 Hz， 第2次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表5所示，顯示最大頻率的發生時間為10：25：37，實現了最大頻率及發生時間的記錄和回顯。

5 結語

本設計功能全面，具有測頻、測溫、時間顯示等基本功能，用戶通過按鍵實現界面切換和參數設置。為了提高測量精度和穩定性，本設計設置了校準值校準，實現測量結果的自動校準和修正。在測頻過程中，為了檢測頻率的動態變化，本設計能動態記錄平均頻率、最大頻率值以及發生時間，供用戶翻查。當測頻結果超出界限值時，LED報警。本設計有很廣泛的使用場合，可以用于醫學領域的動態心率監測、汽車故障動態信號的診斷監測等場合，為病情或故障判斷提供參數依據。

參考文獻

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（編輯 王雪芬）

Design of multifunctional dynamic frequency meter with backlight and calibration functions

LIU" Liaoyuan

（Department of Electronic and Information Engineering， Jiangsu Institute of Architectural Technology，

Xuzhou 221116， China）

Abstract： Frequency measurement has a wide range of applications in the fields of electronic engineering and medicine. In order to improve the dynamic monitoring performance of the system and obtain the dynamic changes of frequency during the measurement process， this article proposes a multifunctional dynamic frequency meter design with display and calibration functions. This design has basic functions such as frequency measurement， temperature measurement， and time display， which can be switched and parameter settings can be achieved through buttons. When the frequency measurement result changes beyond the set range， this design triggers AT24C02 to record the frequency result and occurrence time， and calculates and records the average frequency for users to review. This design can adjust the calibration value through buttons to achieve automatic calibration and correction of measurement results. The experimental test results show that this system can accurately detect the dynamic changes in frequency measurement， with high measurement accuracy and stable parameters. It can be used for dynamic heart rate monitoring in the medical field， diagnosis and monitoring of dynamic signals of automotive faults， and other occasions， providing parameter basis for disease or fault diagnosis.

Key words： reflection; calibration; dynamic; frequency