用PIC單片機實現高分辨率頻率計的一種方法

　　1 引言

　　隨著電子技術的迅速發展，以單片機為控制核心的控制器件，已經全面滲透到測試儀器和計量檢定的各個方面。同時，頻率計作為一種常用工具，在工程技術和無線電測量、計量等領域的應用十分廣泛。本文介紹了一種以PIC16F87X系列單片機為控制器的高分辨率頻率計的實現方法。

　　該方法設計的頻率計主要用來測量脈沖頻率。它采用LCD圖形液晶顯示，清晰度高，可視范圍廣，可外接晶體頻率源，具有測量速度快、分辨率高的優點。

　　2 設計原理

　　PIC16F877A單片機內部集成有捕捉/比較/脈寬調制PWM (CCP)模塊。當CCP工作在捕捉(capture)方式時，可捕捉外部輸入脈沖的上升沿或下降沿，并產生相應的中斷。

　　PIC16F877A單片機內部還集成了定時器/計數器模塊，在本方案中采用其中的TMR1作為定時器，該定時器的工作原理是通過TMR1“寄存器對”TMR1H:TMR1L從0000H遞增到FFFFH，之后再返回0000H時，會產生高位溢出，并且將會設置溢出中斷標志位TMR1IF為I，同時引起CPU中斷響應。

　　在均勻的脈沖序列中，脈沖頻率值等于單位時間內發生的脈沖次數。根據這個原理，可以采用PIC16F87X系列單片機(本文以 PIC16F877A型單片機為例)內置定時器模塊TMR1計時，同時使用CCP模塊的捕捉功能，每間隔n(n=1,4,16)個脈沖捕捉一次并產生中斷，記錄第1個和第(m-1)*n+1個脈沖到來時的定時器計時t1和tm，如圖1所示。

　　圖1脈沖捕捉示意圖

　　用被捕捉的脈沖次數除以第1次和第(m-1)*n+1次脈沖之間間隔的時間即可得到脈沖頻率值。因此，脈沖頻率值計算公式為：

　　3 被測頻率值范圍

　　在測試過程中，需要特別注意的是，兩次CCP中斷的時間間隔必須大于1次中斷服務的執行時間。否則，如果在中斷服務程序執行時又發生CCP中斷，就不能正常工作。

　　根據上述條件，則有：

　　由上式得到：

　　式中：

　　SCCP — 表示捕捉分頻倍數。

　　fx — 表示被測頻率t

　　TCYC —表示系統時鐘周期。

　　N —表示中斷所需最小指令周期數。

　　設定：SCCP=16，N=40，TCYC= 4/20MHz = 0.2 us，則： fx2,000,000Hz

　　由此可知，實際頻率測量范圍在0-2 MHz之間。

　若需測量更大頻率，可以根據需要在待測頻率和CPU的CCP口之間接入相應倍數的分頻器，每接入一個1/n倍分頻器，可測頻率范圍可擴大n倍(如圖2所示)。如在待測頻率和CCP口之間接入三個1/10倍分頻器，則可測頻率范圍為0～2 GHz。

　　圖2 CPU外接示意圖

　　4 程序設計

　　4.1中斷程序

　　中斷程序流程圖如圖3所示。

　　圖3中斷子程序流程圖

中斷服務子程序如下：

　　void interrupt TMR I_CCP2_ini(void)

　　{

　　if(TMR1IF==I) //判斷是否定時器中斷

　　{

　　TMRIIF=0; //TMR1中斷標志位清0

　　TMR1ON=0; //關閉TMR1

　　TMR1L=0x00; //設置TMR1數據寄存器初始值 0x0bdc

　　TMR1H=0x00;

　　TMR1ON=1; //開啟TMR1

　　time_count++; //定時計數器減1

　　}

　　if(CCP2IF==1) //判斷是否CCP2中斷

　　{

　　if(ccp_count==0)

　　{

　　TMR1IE=1; //允許TMR1中斷

　　TMR1IF=0; //TMR1中斷標志位清0

　　T1CON=0x30; //設置1:8分頻，關閉TMR1

　　TMR1L=0x00; //TMR1數據寄存器清零

　　TMR1H=0x00;

　　TMR1ON=1; //開啟TMR1中斷

　　}

　　CCP2IF=0; //CCP2中斷標志位清0

　　ccp_count++; //脈沖計數器加1

　　}

　　}

4.2測試過程程序

　　程序流程圖如圖4所示。

　　圖4 主程序流程圖

　　測試過程程序如下：

　　unsigned long measure_course(unsigned char

　　catch_mode)

　　{

　　time_count=0; //定時計數器清零

　　ccp_count=O //脈沖計數器清零

　　GIE=1; //允許全局中斷

　　PEIE=1; //允許外圍中斷

　　TRISC1=0; //CCP2(RC1)輸入

　　CCP2IE=1; //允許CCP2中斷

　　CCP2IF=0; //CCP2中斷標志位清0

　　CCP2CON=catch_mode; //設置捕捉脈沖模式

e(); //中斷開始

　　while(1) //等待定時中斷，時間到則退出

　　if(ccp_count==2)

　　break;

　　di(); //中斷結束

　　TMR1ON=0; //關閉TMR1

　　CCP2CON=0x00; //關閉CCP2

　　CCP2IE=0; //關閉CCP2中斷

　　CCP2IF=0; //CCP2中斷標志位清0

　　TRISC1=0; //CCP2(RC1)輸出

　　TMR1IE=0; //關閉TMR1中斷

　　TMR1IF=O; //TMR1中斷標志位清0

　　PEIE=0; //關閉外圍中斷

　　GIE=0; //關閉全局中斷

　　……

　　}

　　5 性能評價

　　傳統的頻率測量方法有兩種：一是測周期求頻率，這樣對被測頻率信號的信噪比要求高，否則就會產生較大的誤差;另一種是計算單位時間內所產生脈沖數量，雖然這種方法對信噪比要求不高，但是顯示分辨率受到限制，并且會產生±1的誤差。

　　本方案摒棄了傳統的測量方法，采用測量脈沖個數及計算被測脈沖所經歷時間的方法，完全避免了傳統方法的弊端。

　　在本方案中，CPU接外頻標(如圖2所示)，測量誤差僅為時基誤差，而較好的外頻標的誤差一般小于±10-9，因而測量結果的有效數字最少可達8位以上，使得低頻測量與高頻測量的有效位數一致。

　　6 結語

　　經過測試試驗，使用該方法研制的頻率計具有測量準確度高、使用方便、穩定可靠的優點，可應用于計量測試領域。同時由于使用軟件控制，電路結構簡單，使用硬件少，使得成本低廉且攜帶方便，因此也可廣泛應用于工農業生產和居民生活中，具有推廣價值。