基于单片机和CPLD的等精度测频系统

基于单片机和CPLD的等精度测频系统作者：张瑾，刘海燕，李泽光，ZhangJin，LiuHaiyan，LiZeguang作者单位：大连大学信息工程学院,大连,116622刊名：电子测量技术英文刊名：ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY年，卷(期)：2009，32(8)被引用次数：0次参考文献(7条)1.周渭.渡边健藏.浜松近年来国外仪器与测量技术发展趋势2005(07)2.崔夏荣一种宽频高精度频率计的设计2001(08)3.KIMSS.JUNGSHardwareimplenentionofaneuralnetworkcontrollerwithanMCUandanFPGAfornonlinearsystems2006(05)4.马献果.焦阳频率测量方法的改进2004(04)5.李兰芳.胡宇航.罗欢CPLD在等精度测频系统中的应用2003(04)6.吴繁红基于单片机和CPLD实现等精度频率计20057.田军.罗方等精度测频装置的制作2006(01)相似文献(10条)1.期刊论文李兰芳.胡宇航.罗欢CPLD在等精度测频系统中的应用-仪表技术2003,(4)阐述等精度测频的原理,采用复杂可编程逻辑器件和单片机实现的实用电路,及应用VHDL语言的层次设计方法.2.期刊论文李伟帆.姚裕成.余成采用CPLD的智能型多功能数字测频仪-东莞理工学院学报2003,10(1)介绍以89C51为CPU,采用CPLD作测试电路的智能型多功能数字测频仪.系统具有频率/周期测试、脉宽/占空比测试及显示功能.文中详尽介绍了系统的工作原理及硬件电路和软件设计.3.学位论文赵志鹏差分式质子磁力仪的研究与设计2007利用磁法进行地质勘探与研究是一种应用十分广泛而又比较成熟的方法，除地质勘探外，磁法勘探还应用于石油天然气等能源构造的普查、工程地质等领域。随着这些应用的不断深入，磁测设备的水平不断提高，应用范围也在日趋扩大，在航空、海洋、人体磁场等磁力测量的场合也多有应用。磁力仪是用来测量磁场强度的科学仪器，地磁场的微弱变化，都可以被磁力仪记录下来。人们不但借助它来研究地质构造，而且还用在考古、环境工程、气象、探矿、反潜等领域。质子磁力仪是质子旋进式磁力仪，当质子在收到激励场激励后，激励强磁场使水或碳氢化合物中的质子极化，当强磁场突然去掉时，质子就以角速度ω绕地磁场旋进，产生以地磁场方向的进动，测量感应电场电压频率，从而实现地磁场测量。与国外同期产品相比，国内市场上出现的质子磁力仪精度仍然不高，功能不够完善：国外生产的质子磁力仪精度可到0..01nT，国内生产的质子磁力仪精度普遍为0.1nT。国外新型质子磁力仪功能强大，而国内质子磁力仪功能单一，国外很多仪器都支持事后处理和全球定位系统，而国内的产品通常只提供显示功能。同时也分析了国内仪器出现故障的原因及应对方法，如FHD-1型的死机现象，通常采用的办法是增加看门狗电路，这样无形增加了硬件成本，同时也影响了系统工作的连续性。为了提供更能更强大精度更高的质子磁力仪，以满足国防、科研、勘探等需要，迫切需要对现有质子磁力仪改进或采用新的技术重新设计，来达到上述要求。根据现实需要和国内外现状，本课题提出了差分式质子磁力仪，即采用双通道实现测量，每个通道测出一组数据，再将两组数据差分以减小误差，从而提高系统的测量精度。待实现的设计目标有：采用新的测频方法提高系统的测量精度；内置大容量的存储器，以增加数据的存储量；具有机载GPS接口以及USB接口，能够自动记录测量时间和地理位置，能够存储和传输数据；通过合理的器件选用及电源设计思路，达到降低整机功耗的要求。围绕这些设计目标，本系统在设计实现时，充分学习分析了国内外现有的仪器的特点，注意跟踪了最新的电子技术，使用了新的元器件，以提高整机性能。论文分五部分：第一部分为绪论部分，介绍了质子磁力仪的基本原理以及课题的研究背景意义，同时分析了本系统的整体结构，给出了硬件结构框图。第二部分为系统的硬件设计实现，详细说明了硬件的设计原理及实现方法。第三部分为软件设计部分，设计了硬件的驱动程序，以及系统的运行流程。第四部分为整机测试部分，包括信号放大和频率测量的测试，并对测试数据进行了分析。第五部分为结论与建议部分，对课题设计进行总结并指出需要改进和提高的地方。在课题中本人所做的工作包括：提出了差分式质子磁力仪的设计思路，并按照这一思路完成了放大、测量部分和主控系统的设计。电路模拟部分由磁化电路，电流激发、LC谐振、信号放大等组成。电流激发作用是激发探头产生有用的信号，探头呈电感特性，为此设计了LC谐振电路，以初步放大信号，信号放大电路则实现了信号高倍率放大(设计放大倍数72万倍)、带通滤波以及信号整形，输出的频率信号给频率测量部分完成测量。高精度的频率测量方法和实现方式是整机精度的保证。频率测量采用了新型的CPLD器件来设计，采用了等精度测频方法，本文详细说明了采用CPLD实现等精度测频的方法和电路，通过该方法克服了以往采用倍频方法在选择测量时刻时的局限性，同时新型的CPLD器件功耗低，支持的频率更高，也避免以往用CPLD设计的缺点。主控部分设计了电源变换电路、FLASH存储器、USB主从设备接口、RS232接口、LCD显示屏，并详细论述了各个子部分的工作特点和实现方法，给出了电路图；设计了主控部分的程序，包括各个分支的部分的驱动程序和主程序，给出了各程序运行的流程；同时设计了键盘扫描电路及其实现方法，给出了相关程序；由于数据需要传到PC机进行分析和处理，因此设计了磁力仪和PC的软件接口，论述了PC机实现USB接口和RS232接口数据传输的实现方法。论文的结尾列举了系统设计过程中出现的问题，以及相应的解决方法，为系统的改进和完善提出了切合实际的建议。由于时间和条件等方面的限制，可能会存在不足，有待今后进一步完善。4.期刊论文罗怡.张璐.马玖凯.LUOYi.ZHANGLu.MAJiukai一种宽输入范围高精度频率计的设计-现代电子技术2009,32(15)数字频率计设计一般都是采用分立数字器件和集成模拟芯片来实现,其精度不太高,而且输入信号范围常常受到限制.一种采用可编程数字逻辑器件CPLD,将数字器件进行集成化,并配备高稳定度时钟,对输入模拟信号采用多路程控精密放大整形的技术,利用等精度测频法,实现了对频率的高精度测量.使得频率测量范围达到数十兆,精度超过10-7,输入信号最小到10mV.5.期刊论文袁广超.田旭东.陈恩.程镇.鲁飞基于CPLD的振弦式传感器的频率测量技术-自动化仪表2009,30(11)振弦传感器具有谐振频率范围宽的特点.为了在较大频段内实现高精度测量,设计了一种用等精度测频法实现振弦式传感器频率测量的方法.在详细介绍等精度测频的基本原理的基础上,利用大规模可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)实现了传感器频率的测量;同时,给出了用VHDL描述语言设计硬件电路的过程.所设计的测频系统具有硬件电路简洁、可靠,单片机控制器程序设计简单、测量速度快、可控性好等特点.实验结果表明,这种测频方法符合设计要求,取得了理想的效果,有较好的应用前景.6.期刊论文陈明杰利用CPLD设计高速等精度频率测量仪-重庆工商大学学报(自然科学版)2004,21(4)介绍了等精度测频原理,该原理具有在整个测试频段内能够保持恒定的高精度优点;利用VHDL语言设计了高速的等精度测频模块,并下载到CPLD中,通过与单片机的独立接口,将测量到的数据传送到单片机中,由单片机完成计算和显示的功能;采用CPLD配合单片机的设计方案,具有造价较低、速度高、精度高的优点,并且可以通过软件下载而达到仪器硬件升级的目的;该测频仪克服了直接测频仪对测量频率需要采用分段测试的局限.7.期刊论文徐江丰.陈曦.刘克刚相关计数法数字频率计的研究与实现-电子技术2003,30(4)文章介绍了相关计数法测量频率的原理,并介绍了在单片机系统平台上使用传统计数芯片8254和复杂可编程逻辑芯片(CPLD),实现了应用该原理的数字频率计.针对8254在设计上的不足,提出了基于软件编程产生正向脉冲以解决高阶计数初值装入的方法并对用CPLD实现等精度测频的优点作一介绍.实现的两个系统测频精度均达到了很高的指标.8.学位论文杨永友质子磁力仪的初步研究2006本文提出了设计新型质子磁力仪，拟达到精度高；存储数据量大；机载GPS接口，自动记录测量时间和地理位置；大LCD屏幕显示，中文菜单，灵活的人机交互；整机低功耗工作，便于电池工作；整机轻便，便于携带等要求。围绕这些要求，本系统在设计实现时，充分学习分析了国内外现有的仪器的特点，查阅了大量的相关资料，注意跟踪了最新的电子技术，使用了新的元器件。首先了分析了质子磁力仪的工作原理，所要处理的信号特点，明确了设计质子磁力仪的难点和重点：将幅度为几十个uV的850-3500Hz的频率信号放大后进行测频。在此基础上提出系统的基本结构，分析了各个部分的功能组成，各个部分的基本实现原理则进行了重点分析。　　模拟电路部分是本文论述的一个重点，由电流激发、LC谐振、信号放大等组成。电流激发作用是激发探头产生有用的信号，探头呈电感特性，为此设计了LC谐振电路，以初步放大信号，信号放大电路则实现了信号高倍率放大、工频陷波、带通滤波以及信号整形，输出符合3.3VCMOS电平的频率信号给频率测量部分。高精度的频率测量方法和实现方式是整机精度的保证。频率测量采用了最新的CPLD器件(MAXIIEPM240)来设计，采用了等精度测频方法，克服了以往采用倍频方法会错过最佳测量时刻的缺点，同时新型的CPLD器件功耗低，支持的频率更高，也避免以往用CPLD设计的缺点。利用EPM240片内资源，系统还设计了一个5×4的矩阵键盘扫描电路。EPM240的数据保存在片内设计的寄存器里，供主CPU读取。　　主CPU是系统的灵魂，本文花了较大的篇幅来介绍其工作原理。主CPU采用MSP430F149设计，该16位单片机功耗极低，片内资源丰富，速度可达8MIPS。除模拟信号处理电路外，系统设计了电源变换电路、FLASH存储器、USB主从机接口、RS232接口、LCD显示屏。详细论述了各个子部分的工作特点和实现方法，给出了电路图。详细说明了采用CPLD实现等精度测频的方法和电路，分析了精度误差，也说明了键盘扫描的实现方法。磁力仪的CPU的程序分为各个分支的部分的驱动程序和主程序，详细了说明了驱动程序的编写特点，给出了主程序的运行流程。此外，磁力仪采集的数据还需要上传到PC机进行数据分析处理，系统设计了磁力仪和PC的软件接口，论述了PC机实现USB接口和RS232接口数据传输的实现方法，也说明了在VB6中实现文件保存的方法。本系统初步设计完成后，对相关电路进行了测试，给出了测试的结果并作了分析，得出了设计满足精度要求的结论。由于时间和条件方面的限制，本系统设计完成后在实验室进行了调试，没有在野外进行实地测量，但是本系统的关键硬件和核心软件的设计已经完成。9.期刊论文渠海青.孙艳萍.朱正伟.QuHaiqing.SunYanping.ZhuZhengwei数字示波表中超高速数据采集系统的设计-自动化仪表2009,30(11)针对数字示波表的数据采集系统接口复杂、采集速度高、单片机难以实现等特点,介绍了一种以CPLD为核心的超高速数据采集系统设计方案.该方案采用高速A/D转换器、双片高速FIFO芯片来实现数字示波表中信号的不间断采样和存储,利用等精度测频技术自动生成FIFO的写入时钟,实现滤除冗余数据的功能.分别对A/D转换器、FIFO存储器、数据处理单元之间的逻辑接口电路以及测频原理、分频算法等进行了详细介绍.仿真结果表明,该设计完全满足数据采集系统的要求.10.期刊论文席鹏.李军.於二军.XIPeng.LIJun.YUEr-jun基于DSP和CPLD的高精度频率测量系统设计-航空计算技术2010,40(2)介绍了以CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)为核心处理芯片的频率测量系统,整个系统