1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：等精度数字频率计的设计内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用
2、毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）II学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的
3、法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III等精度数字频率计的设计摘 要本设计课题为基于 FPGA 和单片机的等精度数字频率计的设计。在本设计中，采用先进的自上而下的设计方法，以
4、 AT89C52 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（Filed Programmable Gate Array）芯片 FLEX EPF10K20RC208-4 完成各种时序逻辑控制、计数功能。在数字硬件电路 EDA 设计平台 MAX+plus上，使用硬件描述语言 VHDL 编程完成了 FPGA 内部的数字硬件电路设计、编译、调试、仿真和下载。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。其中硬件电路包括键盘控制模块、显示模块和测量模块，键盘模块通过对六只按键的选择实现了除测频功能外的周期
5、、脉宽、占空比测量等功能的选择;显示模块采用动态显示方式，节省了 FPGA 内部大量资源;AT89C52 单片机的软件编程采用灵活易读的 C 语言。本设计将 AT89C52 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；FPGA ；频率计内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IVThe Dsign Of Equal-Accuracy Digtal FrequencyAbstractThe title of this design is the desig
6、n of equal-accuracy digital frequency based on FPGA and single chip computer. The digital frequency meter design in this paper which adopts top-down design methodology uses the AT89C52 single chip computer as the main controlling parts .The AT89C52 realizes test signal control ,keyboard scan and out
7、put display of LED .One FPGA chip FLEX EPF10K20RC208-4 fulfils timing logic control and count function .Under the hardware circuit design flat of MAX+plus,FPGA software designing，compiling , debugging ,simulation and download are been carried out in VHDL.This article detail exposition of the testing
8、 frequency precision digital principles, hardware circuit composition, design and software programming design of single chip computer.These hardware circuits including keyboard control module, display modules and measurement modules. Keyboard module through six achieved made the system can measure p
9、ulse width and occupy-empty ratio of input signal . The using of dynamic display module, saving a lot of internal FPGA resources. The software programming of AT89C52 single chip computer adopts the flexible and accessible C language. The system combines the controlling flexibility of AT89C52 with pr
10、ogrammable performance of FPGA , so it not only can shorten develop cycle ,but also has advantage of tightening architecture ,little volume ,high reliability ,wide scope and high precision .Key words: EDA technique； single chip computer； frequency meter； FPGA 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）V目 录摘 要 .IAbstract .
11、II第一章 绪 论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 频率计发展概况 .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及设计方法 .42.1 等精度数字频率计测频原理 .42.1.1 常用测频方法简介 .42.1.2 等精度测频原理 .42.2 等精度数字频率计的设计方法 .52.2.1 电子系统的传统设计方法 .52.2.2 当代电子系统的设计方法 .6第三章 主要芯片及设计工具简介 .83.1 主要芯片介绍 .83.1.1 AT89C52 单片机性能简介 .83.1.2 FLEX10K 芯片系列简介 .113.2 MUX+PLUS概述 .143.3 VHDL
12、 语言简介 .15第四章 硬件电路设计 .174.1 系统组成 .17内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）VI4.2 键盘接口电路 .174.3 显示电路 .184.4 测量电路 .194.4.1 测量与自校验选择电路 .214.4.2 测频原理与测频电路 .224.4.3 脉宽控制电路 .244.5 硬件电路的 VHDL 语言描述 .254.5.1 D 触发器 .254.5.2 32 位计数器 .264.5.3 MUX64-8 多路选择器 .274.5.4 MUX2-1 选择器 .284.5.5 时钟发生器 .284.5.6 64 位移位寄存器 .294.5.7 数码管字型译码器 .30
13、4.5.8 数码管片选译码器 .314.5.9 键盘编码器 .324.5.10 单片机主控电路 .33第五章 软件电路设计 .345.1 主程序 .345.2 复位自检程序 .355.3 数据输出程序 .365.4 频率测量程序 .375.5 数据读入程序 .37内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）VII5.6 占空比测量控制程序 .375.7 键值读取程序 .385.8 数制转换程序 .39第六章 系统性能分析 .426.1 频率测量范围分析 .426.1.1 低端频率 .426.1.2 高端频率 .426.2 测量精度分析 .43结 论 .44参考文献 .45附录 A 系统原理图（a
14、） .46附录 A 系统原理图（b） .47附录 B AT89C52 单片机内部方框图 .48附录 C 硬件电路的硬件描述语言 VHDL 描述 .49附录 D 单片机 C 语言程序 .64致 谢 .76内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 绪 论1.1 研究背景及意义随着电子技术与计算机技术的不断发展，以单片机为核心的测量控制系统层出不穷。在被测信号中，经常遇到以频率为参数的信号，例如流量、转速、晶体压力传感器以及经过参变量频率转换后的信号等。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
15、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门到上百万门，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超过了以往的数字频率计，而且在基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(SOC)
16、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成，其开发过程、调试过程十分繁锁,而且由于电子器件之间的互相干扰，影响频率计的精度，体积较大，已不适应电子设计的发展要求。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，较分离元件搭接而成的频率计改善了性能、提高了可靠性，
17、并可以采用软件实现各种频率内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2测量方法。但由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芯片的方法来完成频率计的设计,即通过VHDL(Very High Speed Integrated Circuit 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
18、，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，配置完成后，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,只须用通用的EPROM、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( 在此为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，
19、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，可以在很短的时间里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应用，传统的自下而上的数字电路设计方法、工具、器件已远远落后于当今技术的发展。基于 EDA 技术和硬件描述语言的自上而下的设计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，单片机实施控制的方法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。等精度的测量方法不但具有较高的测量精度，而且在整个频率域保持恒定的测量精度。该频率计利用 FPGA 来实现对被测频率信号及标准频率信号的周期计数，由单片机实现对系统的控制、数据运算及数制转换等功能。
