基于DSP的简易数字频率计-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

摘要： 采用TMS320F2812 DSP芯片为控制单元，在无需任何门控器件控制的情况下，利用DSP 2812丰富的软件资源实现了等精度测量。根据每个门闸时间内高频标准脉冲的个数与已知被测信号的个数，求得被测信号频率，再通过多次平均得到最终结果。

关键词： 数字频率计；等精度测量；DSP

　　* 本作品获得2008年德州仪器(TI) C2000 DSP大奖赛命题组一等奖，并得到合肥工业大学2008年大学生创新性实验计划项目的资助

作品的意义与概况

　　随着微电子技术和计算机技术的飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后，电子测量技术更是迈进了一个全新的时代。近年来，DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件，逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业，甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。在电子测量技术中，频率是最基本的参数之一，它与许多电参量和非电量的测量都有着十分密切的关系。例如，许多传感器就是将一些非电量转换成频率来进行测量的，因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是用数字来显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。

　　数字频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使得仪器的体积更小、耗电更少、精度和可靠性更高。而传统的频率计测量误差较大，范围也较窄，因此逐渐被新型的数字频率计所代替。基于DSP的等精度频率计以其测量准确、精度高、方便、价格便宜等优势将得到广泛的应用。

　　我们设计的简易数字频率计在未采用任何门控器件控制的情况下，在很宽的范围内实现了等精度频率测量，0.5Hz~10MHz的范围内测量方波的最大相对误差小于2e-6，测量正弦波的最大相对误差小于3.5e-5；结果通过RS232通讯显示在计算机上，可以很方便地监测数据。

方案设计

　　总体介绍
　　传统的等精度测频法使用门控器件产生门控信号，从而实现实际门闸信号与被测信号同步，消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差，其原理图如图1所示。

图1 传统的等精度测量原理

　　由硬件控制计数的门闸时间，当预置们信号(即定闸门信号)为高电平时，基准信号计数器CNT1和被测信号计数器CNT2并不启动，而是等被测信号的上升沿来到时才同时开始计数；当预置们信号为低电平时，两个计数器并不马上关闭，同样要等到被测信号上升沿来到后再关闭；于是，实际闸门时间就是被测信号周期的整数倍，从而实现了闸门与被测信号的同步。但是，实际的门闸时间并不固定，与被测信号的频率有关。此外，无论是采用计数器还是单片机，在实现等精度测量时总是离不开门控器件。

　　本设计基于DSP丰富的软件资源，经过判断和处理，完成了对被测信号频率的等精度测量。硬件上无需任何门控器件，简化了电路。系统框图如图2所示，信号处理部分以TMS320F2812 DSP芯片作为控制和测量的核心；信号调理部分主要是完成对信号的放大、整形和限幅；标准频率信号由30MHz有源晶振产生，作为高频标准填充脉冲；通过DSP的SCI模块与上位机实现通信，结果显示在上位机上。

图2 系统框图

　　频率/周期测量
　　在对被测信号频率和周期的测量中，等精度测量是基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭，由于比较匹配发生在被测信号的上升沿，从而实现了门闸时间与被测信号的同步。原理图如图3所示。

图3 本等精度频率测量原理

　　通用定时器T1时钟输入选择外部定时器时钟，此处用调理后的被测信号作为定时器T1的时钟输入，定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟，用来产生高频标准填充脉冲。F2812片上EVA中通用定时器T1在发生比较匹配事件时，其比较输出引脚T1CMP输出信号会自动改变电平状态，产生PWM波。捕获单元CAP1设置为上升沿捕获，T1PWM输出的PWM波上升沿被CAP1捕获到，读取此时定时器T2的计数值，同理在下一次比较匹配时再次读取定时器T2的计数值。通过两次T2CNT值的相减，即可获得该门闸时间内标准填充脉冲的个数，然后求出被测信号频率。

　　基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭，由于比较匹配发生在被测信号的上升沿，从而实现了门闸时间与被测信号的同步。两个相邻的比较匹配产生的PWM波的上升沿分别作为门闸信号的开启和关闭信号，其中被测信号的个数为整数，并且是由我们自己任意设定的。定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟，用来产生标准填充脉冲。设定捕获单元CAP1为上升沿捕获，当其捕获到上升沿时读取堆栈CAPFIFO内的值，在下一次捕获到时再读堆栈内的值，计算出标准填充脉冲的个数Ny，保证Ny的个数不小于一定的值，即可保证门闸时间大于一定的值。假设现在希望一个门闸时间内高频填充脉冲的总数不小于n，当Ny>n时，就增大定时器T1的定时周期，即增大定时器T1周期寄存器TIPR的值。存在公式T1PR+1=n/Ny，由于n/Ny不一定为整数，假a

　　周期测量与频率测量的基本原理完全相同，测出信号频率，根据公T=1/f即可得出被测信号的周期。

　　误差分析
　　定时器T1计数的启停时间都是由该信号的上升沿触发的，在一次测量时间内对被测信号的计数无误差；在此时间内标准频率脉冲的计数个数Ny，最多相差一个脉冲，故理论误差为：

　　|d|≤1/N_y

　　显然，测量精度仅仅与Ny有关，只要Ny值足够大，就能保证精度。

硬件设计

　　如图4所示，将被测信号经过高速运放OPA2690进行放大，在经过高速比较器TL3016进行整形[3]，由于比较器在对低频正弦波信号进行整形时，输出波形的边沿有比较严重的抖动，影响测量。解决办法是对比较器加入正反馈，加速信号边沿，同时形成滞环，可有效消除抖动。整形后的信号经过高速施密特触发SN74LVC1G14进行限幅和进一步整形。测量部分主要使用DSP2812芯片上定时器T1的时钟输入引脚TCLKINA、定时器T1的比较输出引脚T1PWM和捕获单元CAP1的输入引脚CAP1，即可完成频率测量。通讯部分选择MAX3221作为RS-232电平转换器件，通过9芯标准RS-232口与上位机进行串行通信。主要使用了DSP的串行通信发送引脚SCIRXD和串行通信接收引脚SCITXD。

图4 硬件电路连接图

软件设计

　　软件设计部分主要包括以下四部分：

　　·初始化：对变量参数、系统时钟、PIE、EV、Flash、GPIO等进行配置。
　　·中断模块：SCI中断和定时器T2、T3上溢中断。
　　·数据处理模块：分段+取算术平均值。
　　·输出操作模块：数据经RS-232传给上位机。

　　图5为测频率、周期软件流程图，图6为定时器2的溢出中断流程图。

图5 测频率、周期流程图

图6 定时器T2溢出中断流程图

　　在该部分初始化时，要进行以下配置：通用定时器T1时钟输入为外部定时器时钟，通用定时器T2时钟输入为内部时钟输入，用来对标准脉冲进行计数，该标准脉冲由外部30MHz的有源晶振提供；捕获单元1设置为上升沿捕获，用来捕获T1PWM引脚输出PWM波的上升沿，在每次比较匹配时读取定时器T2的计数值T2CNT，该值保存在CAP1FIFO内。初始化时要将捕获单元1的状态寄存器中的FIFO堆栈状态设置成空堆栈；将定时器T1的定时周期设置为4个被测信号的周期长度，通过测得的定时器T1的一个定时周期内的标准脉冲的个数，计算出被测信号频率，然后对被测信号进行分段，分别为低频段(小于46.875Hz)，中频段(大于46.875Hz，小于2343.75KHz)，以及高频段(大于2343.75 KHz)，其中分段的依据是定时器的计数饱和值为65536和计数个数应大于等于1。若信号频率为中高频段则重新配置定时器T1，定时器T2的寄存器，来改变定时周期以及每个门闸时间内的高频填充脉冲的个数。在定时器T1的下一个定时周期内计算出频率和周期。另外，定时器T2的溢出次数要在第一次发生比较匹配时清零，而是否是第一次发生比较匹配则通过设置一个标志来判断。当溢出次数清零后才开始记溢出次数，直到第二次发生比较匹配。

下一步改进意见

　　该方法的测量误差主要来自硬件部分，整形电路的优劣直接关系到测量精度的高低。所以我们下一步的工作就是改进整形电路的整形效果和抗干扰性能，尽最大可能减小信号整形带来的误差。

　　由于DSP定时器在计数时存在计数饱和的情况，因此在实现该等精度测量时存在上限，即当被测信号频率高于高频填充脉冲的频率时，该方法就不能实现等精度了。可以在该方案的基础上进行以下处理：选择定时器T1定时周期内被测信号的个数固定，可设置T1PR为65529，同时将定时器T2的时钟修改为75MHz，这样就能保证每个门闸时间内高频填充脉冲的个数，从而在对高频信号实现频率和周期测量时保证了精度。

　　但选择定时器T1时钟输入为外部时钟时对被测信号的输入范围存在限制，如果要进一步提高测量的信号的范围，使得范围达到上百兆或上G赫兹，可以考虑相位测量的方法，将被测信号设为360度，根据被测信号与标准信号之间的X度相位差，计算被测信号频率。

参考文献：

　　1．张志文，田英峰，基于的DSP高精度频率测量系统的研究，西安工业大学学报. 2007,
27(2):167-170
　　2. Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x DSP System Control And Interrupts Reference Guide. TEXAS INSTRUMENTS，July 2003
　　3.全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编，北京理工大学出版社，2004.8.169-216
　　4. 徐科军，张瀚，陈智渊，TMS320X281x DSP原理与应用，北京航空航天大学出版社，2006
　　5. 李宝营，赵永生，祖龙起，牛悦苓，基于单片机的等精度频率计设计，微计算机信息 ( 嵌入式与SOC)，2007，23(9-2):152-154

关键字：TI DSP 等精度测量引用地址：基于DSP的简易数字频率计

上一篇：DSP控制的电力线通信模拟前端接口设计
下一篇：DSP软件向桌面和嵌入式系统挑战

推荐阅读最新更新时间：2024-05-02 20:41

TI 推出2.4 GHz 与1 GHz 以下RF片上系统解决方案

完整的 SoC 集成了射频、MCU 与快闪 2007 年 9 月28 日，北京讯日前，德州仪器 (TI) 宣布推出一对 RF 片上系统 (SoC) 解决方案，可理想适用于采用2.4GHz 与 1GHz 以下频带的低功耗、低电压无线应用。CC2510 与 CC1110 集成了 TI业界最佳的 RF 收发器（CC2500 与 CC1101）、业界标准增强型 8051 微控制器、8/16/32 KB 系统内可编程闪存、1/2/4 KB RAM 以及其它强大功能 —— 所有这些都包含在 6 毫米 x 6 毫米 36 引脚 QLP 封装中。（更多详情，敬请访问： http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod

[新品]

谈GPU的作用、原理及与CPU、DSP的区别

GPU是显示卡的心脏，也就相当于CPU在电脑中的作用，它决定了该显卡的档次和大部分性能，同时也是2D显示卡和3D显示卡的区别依据。2D显示芯片在处理3D图像和特效时主要依赖CPU的处理能力，称为软加速。3D显示芯片是将三维图像和特效处理功能集中在显示芯片内，也即所谓的硬件加速功能。显示芯片通常是显示卡上最大的芯片(也是引脚最多的)。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬体T&L、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬体T&L技术可以说是GPU的标志。 GPU能够从硬件上支持T&L(Transf

[嵌入式]

更小尺寸、更高分辨率，TI推出IWR6x 毫米波传感器

为了全球工业应用中推进毫米波（mmWave）传感器技术，德州仪器（TI）近日宣布推出用于工业系统的超高分辨率单芯片互补金属氧化物半导体（CMOS）60-GHz传感器产品系列。IWR6x 毫米波传感器通过芯片内嵌处理单元支持工业自动化应用，可提供实时决策和信号处理。最新的60-GHz毫米波传感器将成为首款包含“AOP天线封装”在内的封装产品，克服了与射频（RF）设计相关的传统挑战，同时将尺寸缩小到75%，降低了总成本。借助60-GHz毫米波传感器，全球工程师可以将毫米波技术集成到各种机器人、工厂自动化和楼宇自动化设计中，同时利用ISM频段进行广泛部署。高分辨率的IWR6x传感器专为工业应用而设计，可提供高达4 GHz的超

[传感器]

分析：DSP正在驱动半导体产业

根据一位在DSP领域跟踪已久的分析师的报告，数字信号处理器正在不断的失去其作为独立芯片的特性，而且DSP事实上已经成为整个半导体产业的驱动力量。 ForwardConcepts的总裁和首席分析师WillStrauss在最新的无线分析报告中指出，半导体产业协会在上周发布的数据，乍一看来，DSP出货量（基于3个月的移动平均）同比上一年下降了47.2%，环比十二月份下降了38.6%，在各个领域的下跌比例处于领先。 “然而，该有戏剧性的下降并不是简单的DSP市场的下降，而是反映出许多在去年被划分为DSP的产品今年都被划到了ASIC一类。比如说，为摩托罗拉公司供货的飞思卡尔3G基带芯片（去年被划分到DSP）目前就已

[嵌入式]

基于ARM+DSP的驾驶员眼部疲劳视觉检测算法设计

如何为驾驶员提供一个有效实用的安全辅助驾驶系统是车辆安全驾驶的一个重要课题。基于机器视觉的疲劳驾驶检测技术已在国内外开展了广泛研究，其中以驾驶员眼部特征的检测最为广泛。本文以低成本、低功耗、高实时性为设计原则，以ARM+DSP构成硬件平台，并移植了嵌入式操作系统Windows CE 5.0，设计了一套基于驾驶员眼部特征的疲劳驾驶检测算法，对驾驶员驾驶过程进行实时检测和报警，从而提高驾驶的安全性与舒适性。 1 硬件平台设计系统硬件平台选用三星公司ARM9架构的S3C2440作为核心处理器，利用TI公司的TMS320DM642作为视频采集处理模块，其结构框图如图1所示。DSP平台主要负责采集图像、图像算法处理，ARM平台主要完

[单片机]

TI双频带无线模块贸泽开售

专注于引入新品推动行业创新的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开始分销 Texas Instruments (TI) 的CC3235MODx SimpleLink™ 双频带无线微控制器模块。CC3235MODx 模块通过了CC、ISED/IC、ETSI/CE和MIC 认证，在一个芯片内集成了高性能应用处理器、网络处理器、加密引擎，并具有丰富的外设，是物联网 (IoT)、楼宇自动化、安防与医疗保健应用的理想之选。 TI CC3235MODx SimpleLink系列模块集成了40-MHz晶振、32.768-kHz RTC时钟、SPI串行闪存、RF滤波器、双工器和无源元件，以及运行所有

[网络通信]

德州仪器第一季净利润2.65亿美元同比下滑60%

北京时间4月24日凌晨消息，德州仪器今天公布了2012财年第一季度财报。报告显示，德州仪器第一季度营收为31.21亿美元，比去年同期的33.92亿美元下滑8%；第一季度净利润为2.65亿美元，比去年同期的6.66亿美元大幅下滑60%。德州仪器第一季度业绩超出华尔街分析师预期，推动其盘后股价上涨近4%。　　在截至3月31日的这一财季，德州仪器的净利润为2.65亿美元，比去年同期的6.66亿美元大幅下滑60%；每股收益22美分，较去年同期的每股收益55美分下滑60%。德州仪器第一季度毛利润为15.31亿美元，低于去年同期的17.28亿美元。　　德州仪器第一季度每股收益中计入了与该公司收购国家半导体相关的每股10美分支出；不

[嵌入式]

嵌入式C语言开发ADSP21XX系列DSP

摘要：详细介绍使用VisualDSP开发工具进行ADSP21XX的C语言编程的方法；分析其C语言运行库的结构，并且结合实例介绍C语言工具的使用方法，包括C语言与汇编语言混合编程的方法，从C运行库提取代码用于自己的汇编语言程序的方法、修改运行库的源代码以适应自己开发需要的方法等。关键词：DSP VisualDSP 嵌入式C语言汇编语言引言长期以来，在DSP系统开发中，一直把汇编语言作为主要的开发工具；但汇编语言与自然语言差距很大，不易常，而且汇编语言是依赖于处理器的，不利于软件的可重复利用和系统的稳定性，程序不易移植，给开发工作带来了很大的困难。随着嵌入式系统复杂程度的不断提高，用汇编语言编写一个巨大的程度将是困难，甚

[应用]

热门资源推荐
热门放大器推荐

小广播

热门活动

换一批