錢鑫洪

【摘 要】隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)精確的頻率測(cè)量提出了越來越高的要求。TM4C123系列單片機(jī)是由ARM公司推出的基于ARMv7架構(gòu)的高性能、低功耗32位處理器，具有高效的信號(hào)處理及浮點(diǎn)運(yùn)算功能。設(shè)計(jì)基于TM4C123單片機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)，通過周期性矩形脈沖產(chǎn)生的上升沿或下降沿中斷來捕獲相關(guān)的頻率信息。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】頻率測(cè)量；TM4C123；單片機(jī)

中圖分類號(hào)： F426.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）26-0037-002

Design of Frequency Measurement System Based on TM4C123 Microcontroller

Qian Xin-hong

（Zhejiang University Tongji University， Jiaxing Zhejiang 314051，China）

【Abstract】With the continuous development of electronic technology， more and more high requirements are put forward for accurate frequency measurement. The TM4C123 family of microcontrollers is a high-performance， low-power， 32-bit processor based on the ARMv7 architecture from ARM Corporation with efficient signal processing and floating-point arithmetic. The frequency measurement system based on TM4C123 is designed to capture the relevant frequency information by the rising or falling edge of the periodic rectangular pulse. Has the advantages of simple structure， high measurement accuracy， low system cost.

【Key words】Frequency Measurement； TM4C123； SCM

頻率測(cè)量系統(tǒng)主要有外圍輔助模塊和單片機(jī)主控模塊兩部分組成。

1 輔助模塊

外圍輔助模塊：主要由運(yùn)放模塊，整形模塊，分頻模塊，顯示模塊組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

（1）運(yùn)放模塊：輸入的待檢測(cè)信號(hào)能量有可能很微弱，需要使用放大電路將小信號(hào)放大。故采用OPA系列中的OPA2365（2.2V、50MHz低噪聲單電源軌至軌運(yùn)算放大器）搭建運(yùn)算放大電路，其單位增益頻帶寬度為50MHZ，相應(yīng)放大倍數(shù)時(shí)的信號(hào)失真率較少，并且其芯片與單片機(jī)輸出電壓相匹配，較為方便。

（2）整形模塊：在數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)中，由傳感器送來的信號(hào)波形邊沿較差，并且單片機(jī)只能對(duì)脈沖波進(jìn)行計(jì)數(shù)，而實(shí)際待測(cè)頻率信號(hào)是多種多樣的，有脈沖波、正弦波、三角波等等，所以需要一個(gè)整形電路，把待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行計(jì)數(shù)的脈沖波。利用tlc372（雙路通用LinCMOS差動(dòng)比較器）搭建過零比較器，其閾值電壓為0V，集成運(yùn)放工作在開環(huán)的狀態(tài)，輸出的電壓為+Uom或者-Uom。當(dāng)輸入電壓小于0V時(shí)，Uo=Uom；當(dāng)輸入電壓大于0V時(shí)，U0=-Uom。整形電路使正弦波變成方波。整形波形如圖2所示。

（3）分頻模塊：考慮到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)能力有限，無法對(duì)過高頻率進(jìn)行測(cè)量，所以對(duì)待測(cè)信號(hào)先進(jìn)行了十分頻，提高測(cè)量頻率的范圍，還能改善頻率測(cè)量的精度。利用74LS161、7400N和觸發(fā)器7474N組成一個(gè)分頻電路，74LS161芯片有計(jì)數(shù)的功能，再利用7400N的與非門接上7474N的觸發(fā)功能就形成了一個(gè)簡(jiǎn)單的分頻電路。

（4）顯示模塊：LED液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量的文字、圖形，比較多樣化。但是價(jià)格昂貴，而且需要的接口也比較多，所以此系統(tǒng)不采用LED液晶顯示屏。而是采用有顯示功能的LCD，厚度薄、重量輕、功耗低、工作電壓低、無輻射無閃爍還能直接與COMS集成電路匹配，相對(duì)于LED液晶顯示價(jià)格便宜且接線簡(jiǎn)易易于控制。

整個(gè)外圍輔助模塊的電路如圖4所示：

2 單片機(jī)主控模塊

將上述分頻模塊得到的方波脈沖信號(hào)接入單片機(jī)的gpio口，利用單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)器中斷，便可設(shè)計(jì)頻率測(cè)量算法。

測(cè)量方法的選擇：

（1）定時(shí)法：又稱測(cè)周期法，是一種間接測(cè)量方法，利用周期和頻率互為倒數(shù)的關(guān)系，通過測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期來獲得它的頻率，將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成矩形波，加定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的輸入腳及外部中斷INT1口，當(dāng) GATE1=1，TR1為1時(shí)，只有INT1引腳輸入高電平時(shí)T1才被允許計(jì)數(shù)，利用GATE1的這個(gè)功能可以測(cè)量 INT1引腳上正脈沖的寬度，通過數(shù)據(jù)處理變換成頻率值[1]。

（2）計(jì)數(shù)法：所謂頻率就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)，若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為f=N/T[2]。計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率實(shí)際上就是在1s時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值N就是信號(hào)頻率。利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器Timer 1A和Timer 1B，可以用Timer 1A來定時(shí)，Timer 1B對(duì)整形后的矩形脈沖信號(hào)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果自動(dòng)保存在寄存器中。兩者均應(yīng)該工作在中斷方式 ， Timer 1A中斷用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)1s，Timer 1B中斷用于擴(kuò)展計(jì)數(shù)器溢出。當(dāng)Timer 1A定時(shí)1s到達(dá)，通過中斷停止Timer 1B的計(jì)數(shù)，從計(jì)數(shù)器中讀出測(cè)量的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用第二種方法，軟件流程如圖5所示。

定時(shí)器 Timer1 中的Timer 1A和Timer 1B同時(shí)啟動(dòng)，用于測(cè)量輸入頻率。Timer 1A采用捕獲模式響應(yīng)輸入信號(hào)的硬件中斷，而Timer 2B設(shè)定為溢出計(jì)時(shí)的工作模式。 根據(jù)不同的輸入頻率計(jì)算輸入信號(hào)的周期，并換算得到信號(hào)頻率。如圖6所示， 輸入信號(hào)上升觸發(fā)可以得到 T1、 T2 兩個(gè)中斷點(diǎn)的定時(shí)器值。 根據(jù)圖6的構(gòu)思可以得到輸入信號(hào)的周期：TP=T2-T1+T0×M

3 結(jié)語

測(cè)了七組數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如下：

可見，基于TM4C123系列單片機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)能在保持低功耗低成本的同時(shí)，具有較高的測(cè)量精度。

【參考文獻(xiàn)】

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