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基于TMS320F2812的数字频率计的设计方案解析
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2017-11-01
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引言
频率是指某周期现象在单位时间内所重复的次数，它与时间在数学上互为倒数。时间频率的精确测量促进了科学的发展，而科学的发展又反过来把时间频率的测量提高到新的高度。特别在最近的几十年里，频率和时间的测量精度已达到非常高的水平，即已远远超过其他所有物理量的测量精度。它主要的应用领域有导航和通信两大类，以及空间技术、工业生产、交通、科学研究及天文学与计量学方面。
为了适应现代技术发展的要求，新型的频率计中都使用了单片机进行数据处理，这样，由软件代替了复杂的硬件电路，使仪器的结构简化，功能增强。本文给出一种基于TMS320F2812（简称F2812）DSP的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，测量精度高。
1 测量方法
常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法虽在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低，直接测周法则恰恰相反。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消除了对被测信号计数时产生的±1 Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。因此本设计采用多周期测量法作为具体的实施方案。
2 系统的设计
2．1 系统的硬件设计
硬件系统总体框图如图1所示。被测信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为0～3．3 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。测量完成后，一方面可由键盘设置相关参数通过LCD显示测量结果，另一方面可通过RS一232传送给PC机显示测量结果。另外，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。
本设计选用美国德州仪器公司（TI）的F2812 DSP作为核心处理单元。F2812是TI公司近几年推出的高速、高精度的工业控制DSP芯片。它运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可以达到6．67 ns以内，低功耗（核心电压1．8 V，I／O口电压3．3 V）。它采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力；外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道的12位A／D转换器，串行外围接口（SPI），2个串行通信接口（SCI）等。其片内外设时间管理器含有2个模块（EVA和EVB），每个模块都包括2个通用定时器，3个全比较／PWM单元，3个捕获单元和 1个正交编码脉冲电路。本设计主要利用EVA中的2个通用定时器（T1和T2），2个捕获单元（CAPl和CAP3），EVB中的1个通用定时器 （T3）。具体测量原理如图2所示。
频率是指某周期现象在单位时间内所重复的次数，它与时间在数学上互为倒数。时间频率的精确测量促进了科学的发展，而科学的发展又反过来把时间频率的测量提高到新的高度。特别在最近的几十年里，频率和时间的测量精度已达到非常高的水平，即已远远超过其他所有物理量的测量精度。它主要的应用领域有导航和通信两大类，以及空间技术、工业生产、交通、科学研究及天文学与计量学方面。
为了适应现代技术发展的要求，新型的频率计中都使用了单片机进行数据处理，这样，由软件代替了复杂的硬件电路，使仪器的结构简化，功能增强。本文给出一种基于TMS320F2812（简称F2812）DSP的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，测量精度高。
1 测量方法
常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法虽在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低，直接测周法则恰恰相反。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消除了对被测信号计数时产生的±1 Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。因此本设计采用多周期测量法作为具体的实施方案。
2 系统的设计
2．1 系统的硬件设计
硬件系统总体框图如图1所示。被测信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为0～3．3 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。测量完成后，一方面可由键盘设置相关参数通过LCD显示测量结果，另一方面可通过RS一232传送给PC机显示测量结果。另外，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。
本设计选用美国德州仪器公司（TI）的F2812 DSP作为核心处理单元。F2812是TI公司近几年推出的高速、高精度的工业控制DSP芯片。它运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可以达到6．67 ns以内，低功耗（核心电压1．8 V，I／O口电压3．3 V）。它采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力；外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道的12位A／D转换器，串行外围接口（SPI），2个串行通信接口（SCI）等。其片内外设时间管理器含有2个模块（EVA和EVB），每个模块都包括2个通用定时器，3个全比较／PWM单元，3个捕获单元和 1个正交编码脉冲电路。本设计主要利用EVA中的2个通用定时器（T1和T2），2个捕获单元（CAPl和CAP3），EVB中的1个通用定时器 （T3）。具体测量原理如图2所示。
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