基于单片机设计的数字频率计设计

图1 信号的前端处理及分频电路

主要器件介绍

MSP430F449单片机 

       MSP430F449 采用16位RISC结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。它的特点包括：

· 超低的功耗：能够在1.8V~ 3.6V的电压下工作；具有工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM)。在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6ps。

· 较强的运算能力：16位的RISC结构，丰富的寻址方式；具有16个中断源，可以任意嵌套；在8MHz时钟驱动下指令周期可达125ns； 内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多达64KB的Flash程序空间和2KB的RAM，为存储数据和运算提供了保证。

· 丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基本定时器，比较器，16位定时器(TA、TB)，串口0、1，液晶显示驱动器，6个8位的I／O端口，12位ADC (最高采样率200kHz)等。丰富的片上外设可以很方便地构建一个较为完整的系统。另外，充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，保证了一些复杂的时序控制任务的完成。

·方便高效的开发环境：MSP430F449是Flash型器件，片内有调试接口和电可擦写的Flash存储器，可以先下载程序到Flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计师调试。这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。

前置分频器SAB6456A 

       SAB6456A是专为UHF/VHF设计的前置分频器。内部的MCpin为分频控制端，可对频率范围为70MHz-1GHz的信号进行64/256分频，当MC pin开路时为64分频；当MC pin接地时为256分频。有较高的灵敏度和较强的谐波抑制能力。

图2 单片机外围电路

工作原理 

       该设计主要分两部分：分频和计数。首先，输入信号限幅后经SAB6456A分频，256分频后的信号再经两片74HC390高速分频器进行1000分频，此时模拟信号变为低频数字信号，频率在10kHz以下；其次，分频后的信号直接接入MSP430F449单片机，利用内部的16位定时器A来定时和计数。该定时器可分为几个部分：计数器部分，捕获/比较寄存器及输出单元。其中，计数器有4种工作模式，3个捕获/比较寄存器。利用计数器的连续计数模式和上升沿捕获模式，在定时器中断中计数N个脉冲信号时间，再除N得到频率。[page]

硬件设计 

       图1为信号的前端处理及分频设计。输出后的信号再经两片SN74HC390分频，SN74HC390是高速分频器件，最高分频频率为50MHz。每片SN74HC390可实现100分频，采用两片串联，可实现对信号的1000分频，经分频后的数字信号频率较低，约4kHz以下，可由单片机直接计数。 

       图2为单片机外围电路，包括复位电路，电源电路和单片机工作必须的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz两种，8MHz 作为定时器A的计数器输入时钟源；32.768kHz 作为数码管的显示频率。74LS373为D型锁存器，5V单电源供电，因输出电流足够大，也可以直接驱动共阴极LG3631AH型数码管。

软件设计 

       将分频的输出端OUT接至单片机的频率输入端，程序开始先延时一段时间，待信号稳定。开捕获中断和定时器A，在定时器A 中断中计数N个脉冲，测量结束后得到N个脉冲的时间，然后除N得到脉冲的频率，乘以分频系数得到实际频率并显示，经过短暂延时后重新测量，如此循环测量并显示。 

       在测量频率时，为保证精度要关掉LED显示，所以，对于频率较低的信号会发生LED闪烁的情况，解决办法是测量较少个脉冲以减少平均测量时间或减少延时。 

       采用动态扫描显示，动态扫描显示的原理是：由P4向各个位轮流输出扫描信号，使每一位瞬间只有一个数码管被选通，然后由P3向该位输入显示的字型码，驱动该位字形段显示字形。这样，在P3送出的码段和P4送出的位段的配合下，使各个数码管轮流显示各自的字形，每位的显示时间要超过1ms，这样人眼就感觉不到闪烁了。 

       测量主程序如下：

void frequency_measure(void)
{float tmp,tmp1;
key_flag=0;//按键标志清0
P1OUT|=BIT0;
Delay(1000);file://延时一段时间等待信号稳定
while(1)
{ IE2&=~0X80; file://关BT，关LED
firstflag=1;//开始测量第一个脉冲
TACTL|=TAIE; file://开捕获
CCTL1|=CCIE;//开timer a
while (f_ok_flag==0);//等待测量结束
f_ok_flag=0;
if (aa1>aa2)
overflow=overflow-1;
tmp=aa2-aa1;
tmp1=40.0/(overflow*0.008191875+(tmp/8000000.0));
result=tmp1*0.256;
IE2|=0X80;//开BT,开LED
yanshi(2,2);//可以修改这里的参数，越大表示延时越长，太小的话LED就会变暗
CCTL1&=~CCIE;//关捕获
TACTL&=~TAIE;//关timer a
return;
}
}

流程图如图3所示。

图3 主程序流程

结语 

       本文给出的硬件和软件均经过实践检验，使用该测量仪器所测结果精度较高。该测量仪器价格较低，结构简单，是一种经济型的频率测试仪。