1、毕业设计论文题 目：基于单片机与 FPGA 的等精度频率计的设计-单片机部分内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I基于单片机与 FPGA 的等精度频率计的设计-单片机部分摘 要本设计课题为基于单片机与 FPGA 的等精度频率计的设计。本设计以 AT89C51 单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的信号控制、数据运算处理等功能；一片现场可编程逻辑器件 FPGA 芯片 FLEX EPF10K20RC208-4 完成各种时序逻辑控制、计数功能。本文详细论述了等精度数字频率计的测频原理、硬件电路的组成、设计和单片机软件编程设计、系统的误差分析。其中硬件电路包括键盘控制模块、显示模块和测量模块，键
2、盘模块采用独立式的键盘，实现了测频功能，还实现了周期、脉宽、占空比测量等功能的选择；显示模块采用静态显示方式，因此电路结构简单，显示方便；AT89C51 单片机的软件编程采用灵活易读的 C 语言。本设计将 AT89C51 单片机的控制灵活性和 FPGA 芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。关键词：EDA 技术；单片机；频率计；FPGA 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IIBased on the MCU and FPGA such as the frequency accuracy of desig
3、n- SCM part AbstractThe design issues for the frequency of such as the frequency accuracy of design which based on the MCU and FPGA. In the design AT89C51 as a main component, completed the whole circuit s signal control, the data processing functions and so on; a field programmable logic device FPG
4、A and chip FLEX EPF10K20RC208-4 completed logic controling and counting function.This paper discusses in detail the accuracy of the figures such as the frequency in frequency measurement principle, hardware circuit components, design and microcontroller software design. Circuit includes hardware key
5、board control module, module and measurement module keyboard module of six keys choice, it not only completes the functional test frequency but also completes the cycle, pulse width, duty cycle measurement function of choice; Module static display mode made the circuit simple, and convention to show
6、; AT89C51 flexible software programming in C language accessibility. The design which combinated AT89C51 control flexibility and FPGA Field Programmable Phase not only greatly shortens the development cycle time, but also makes the system have the advantages of compact, small size, high reliability,
7、 Measuring frequency range, the higher precision.Key words: EDA technology; Microcontroller; Cymometer; FPGA内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 引言 .11.1 研究背景与意义 .11.2 频率计的发展概况 .11.3 论文所做的工作与研究内容 .2第二章 等精度数字频率计测频原理与设计方法 .42.1 等精度数字频率计测频原理 .42.1.1 数字频率计的测频方法简介 .42.1.2 等精度测频原理 .52.2 等精度数字频率
8、计的设计方法 .72.2.1 电子系统的设计方法 .7第三章 主要芯片及设计工具简介 .83.1 主要芯片性能介绍 .83.1.1 AT89C51 单片机性能介绍 .83.1.2 FLEX10K 系列芯片性能介绍 .113.2 MAX+PLUSII 概述 .143.3 KEIL C51 语言简介 .143.4 VHDL 语言简介 .16第四章 硬件电路设计 .184.1 系统组成 .18内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IV4.2 键盘接口电路 .194.3 显示电路 .204.3.1 LED 显示模块 .204.3.2 显示模块 .214.4 测量电路 .234.4.1 测量与自校选择
9、电路 .244.4.2 测频/测周电路 .254.4.3 脉宽控制电路 .274.5 硬件电路的 VHDL 语言描述 .284.5.1 D 触发器 .284.5.2 32 位计数器 .304.5.3 MUX64-8 多路选择器 .314.5.4 MUX2-1 选择器 .314.5.5 时钟发生器 .324.5.6 单片机主控电路 .32第五章 软件设计 .345.1 单片机主程序 .345.2 复位自检程序 .355.3 键盘程序 .365.4 测频子程序 .375.5 测周期子程序 .385.6 测脉宽子程序 .385.7 占空比子程序 .38内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）V5.8
10、 显示子程序 .39第六章 系统性能分析 .406.1 占空比子程序 .406.1.1 低端频率 .406.1.2 高端频率 .406.2 频率测量精度分析 .41结论 .43参考文献 .44附录 A 系统原理图 .45附录 B AT89C51 单片机内部框图 .46附录 C 硬件电路的 VHDL 描述 .47附录 D 单片机 C 语言程序清单 .54致谢 .67内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 引言1.1 研究背景与意义随着科学技术与计算机应用的不断发展，以单片机作为核心的测量控制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是模拟和数字开关信号，此外还经常遇到以频率为参数的测量信号，例
11、如流量、转速、晶压力传感器以及经过参变量频率转换后的信号等等。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度，所以研究测频方法是电子测量领域的重要内容。传统的数字频率计一般由分离元件搭接而成，其测量范围、测量精度和测量速度都受到很大的限制。虽然单片机的发展与应用改善了这一缺陷，但由于单片机本身也受到工作频率及内部计数器位数等因素的限制，所以无法在此领域取得突破性的进展。随着新型可编程逻辑器件 FPGA 技术的发展，能够将大量的逻辑功能集成在单个器件中，FPGA 根据不同的需要所提供的门数可以从几百万到上百万门，从根本上解决了单片机的先天性不足。本课题所设计的等精度数字频率计不但集成度远远
12、超过了以往的数字频率计，而且在标准频率等外部条件的允许下，可以根据不同场合的精度要求，对硬件描述语言进行一定的改动，使系统在精度提高的同时，而不增加系统硬件，从而降低系统的整体造价。此外，系统芯片（SCO）的发展也要求其包含频率测量的功能，所以用 FPGA 实现数字频率计也是实现系统芯片的前提条件。该数字频率计的设计及实现应用计数器法，基于上述优势开发的频率计具有良好的应用价值和推广前景。1.2 频率计的发展概况传统的数字频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，一般由分离元件搭接而内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2成，其开发过程、调试过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，影响频
13、率计的精度，体积较大，已不适应电子设计的发展要求 1 2。MSC-51 系列单片机具有体积小、功能强、性能价格比高等特点，广泛应用于工业测量、控制和智能化仪器、仪表等领域。以 MSC-51 系列单片机为核心的频率计设计，较分离元件搭接而成的频率计改善了性能、提高了可靠性，并可以采用软件实现各种频率测量方法 3。但由于受到单片机本身特性的影响，其晶振最大只能为 24MHz，以单片机为核心的频率计的测频范围及精度受到很大的制约。随着 EDA 技术的发展，现代频率计的设计多采用基于 FPGA 芯片的方法来实现频率计的设计，即通过 VHDL(Very High Speed Integrated Cir
14、cuit Hardware Description Language)硬件描述语言的设计，用 FPGA 来实现。 FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑器件是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，培植完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后， FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此 FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只需使用通用的EPRO
15、M、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此， FPGA 的使用非常灵活。同时 EDA 开发工具的通用性、设计语言（本设计为 VHDL）的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构无关，所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，可以在很短的时间内完成十分复杂的系统设计。1.3 论文所做的工作与研究内容随着 EDA（Electronics Design Automation）技术的发展和可编程逻辑器件的广泛内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3应用，传统的自下而上的数
16、字电路设计方法、工具、器件已远远落后于当今技术的发展。基于 EDA 技术正在承担起越来越多的数字系统设计任务。本设计主要论述了利用 FPGA 进行测频计数，单片机实施控制，实现多功能频率计的过程，使得频率计具有了测量精度高、功能丰富、控制灵活等特点。该频率计依照等精度的测量原理，克服了传统计数器测频原理随被测信号频率下降而降低的缺点。等精度测量方法不但具有较高的精度，而且在整个频率域保持恒定的测量精度。该频率计利用 FPGA 来实现对频率、周期、脉宽、占空比的测量计数，由单片机实现对系统的控制、数据的显示、数据运算及数制转换等功能。本设计的主要工作包括以下几项内容： 简述了当今频率计的发展状况
17、，对几种常用的测频方法进行了介绍和对比。 详细地论述了等精度频率计的测频原理。在 FPGA 和单片机的基础上采用等精度的测量方法，实现了高精度的频率、周期、脉宽和占空比的测量。 采用 MSC-51 单片机来实现对功能键的控制、数据运算、码制转换、数据显示等功能。 完成了频率计的系统硬件电路的设计，同时完成了基于数字硬件电路设计平台Max+plus的 FPGA 硬件电路设计，FPGA 模块用来完成高速计数器的功能；单片机完成测试控制、数据处理等功能，并对整个系统进行总体控制。 对频率计的系统性能进行分析，分别分析了低端频率和高端频率得出本设计的测频范围是 0.01Hz40MHz，同时分析了测量精
18、度。 本文分 6 章介绍了基于 FPGA 和单片机的等精度数字频率计的设计原理、设计方法、开发步骤，并且对频率计的测量结果和实际输入频率进行比较，分析了本设计影响测量精度的主要因素。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4第二章 等精度数字频率计测频原理与设计方法2.1 等精度数字频率计测频原理2.1.1 数字频率计的测频方法简介目前数字频率计的测频方法可以有以下几种实现方法： 直接测量法直接测量法是把频率信号经脉冲形成电路后加闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间 T（以秒计）内，计数脉冲被送到十进制计数器进行计数。设计数器的值为N，由频率定义可以计算得到被测信号频率为：（2-/FNT1）经分析，此种测量在低频段的相对测量误差较大。增大 T 可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足任务要求。 组合法直接测量周期法在低频段精度高。组合法是指在低频时采用直接测量周期法测量信号的周期，然后换算成频率。这种方法在一定程度上可以弥补方法的不足，电路实现较为复杂。 倍频法 直接测量法在高频段有着很高的精度。可以把频率测量范围分为多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后进行测量，高频段则进行直接测量。 直接测量周期法用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计门控电路，使主门开放时间
