摘 要： 為精確測(cè)量信號(hào)的頻率、周期等電參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，外接1602顯示屏的簡(jiǎn)易<a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/<a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/target="_blank">頻率計(jì)" title="頻率計(jì)" target="_blank">頻率計(jì)" title="頻率計(jì)" target="_blank">頻率計(jì)，可以用于測(cè)量信號(hào)的頻率、周期以及方波的占空比和脈寬時(shí)間。該頻率計(jì)利用單片機(jī)的定時(shí)器A捕捉相鄰上升、下降沿。通過(guò)處理對(duì)應(yīng)時(shí)刻的TAR值，計(jì)算得出頻率、周期等電參量，并在1602上顯示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)簡(jiǎn)潔方便、功能多樣，頻率測(cè)量誤差低于0.1%，達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)，信號(hào)頻率的測(cè)量范圍為1 Hz~1 MHz，可用于測(cè)量小信號(hào)，能夠滿足實(shí)際要求，可投入實(shí)際測(cè)量中使用。

　　關(guān)鍵詞： 頻率計(jì)；定時(shí)器A；TAR；小信號(hào)；電參數(shù)

0 引言

　　隨著社會(huì)及現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，精密測(cè)量出電子設(shè)備中各種信號(hào)的頻率、周期等電參數(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越重要。而頻率又與其他電參數(shù)緊密相關(guān)。所以頻率計(jì)的出現(xiàn)和使用具有十分重要的意義，其在教學(xué)、科研、儀器測(cè)量和自動(dòng)控制等方面有著舉足輕重的作用[1]。

　　傳統(tǒng)的頻率計(jì)有諸多局限性，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、不易于攜帶、穩(wěn)定性差、成本高等，而且其單一測(cè)頻性也無(wú)法滿足實(shí)際工業(yè)的需要[2]?；诖耍疚淖髡咴谧约旱膶W(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款新型的頻率計(jì)，這款頻率計(jì)以430單片機(jī)為核心，具有低功耗、高精度、便攜式、多功能等特點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)頻率計(jì)的諸多缺陷。

1 設(shè)計(jì)思路及基本原理

　　在傳統(tǒng)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，普遍使用脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法和脈沖周期測(cè)頻法。這兩種方法具有簡(jiǎn)單、方便、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是不夠精確，而且相比于測(cè)量高頻信號(hào)，測(cè)量低頻信號(hào)的誤差較大[3]。本文作者在學(xué)習(xí)430單片機(jī)期間，感慨于430內(nèi)部硬件的豐富資源，尤以定時(shí)器為甚。在一段時(shí)間的研究與實(shí)踐之后，發(fā)現(xiàn)430單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器的工作方式中，有可以捕獲上升、下降沿這一工作方式。而這種工作方式可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率，并且這種方法具有測(cè)量范圍廣和結(jié)果精確的特點(diǎn)。同樣是使用這一工作方式，還能得到待測(cè)信號(hào)的其他電參數(shù)（如待測(cè)信號(hào)為方波，可得到相應(yīng)的占空比和脈沖寬度），從而使頻率計(jì)的功能多樣化[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)是以MSP430F149單片機(jī)為控制單元，待測(cè)的單一頻率信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置捕捉上升、下降沿的工作方式，從而在信號(hào)輸入之后捕捉上升、下降沿，再讀取兩時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的TAR中的值，進(jìn)行處理運(yùn)算之后，測(cè)量出頻率等電參量，最后顯示在1602上。

　　2.1 單片機(jī)單元電路

　　單片機(jī)選用TI公司的MSP430F149單片機(jī)，這款單片機(jī)具有16位總線且自帶Flash[5-6]。外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64 K，還可以外拓存儲(chǔ)器，具有統(tǒng)一的中斷管理以及豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器A和B、一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、一個(gè)比較器、一個(gè)內(nèi)部DCO振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8 MHz的時(shí)鐘。同時(shí)還具有豐富的中斷源，其P1口和P2口都具有中斷功能。由于為Flash型，可進(jìn)行編程調(diào)試和下載，且JTAG口直接與FET相連，不需另外仿真工具，并且該款單片機(jī)還可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好。對(duì)其加強(qiáng)干電干擾，運(yùn)行亦不受影響，適合工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境?？傊?，在提倡低功耗的今天，430單片機(jī)的應(yīng)用十分廣泛[7]。

　　單片機(jī)單元電路如 圖1所示。

　　2.2 功能按鍵電路、顯示電路

　　功能按鍵電路由一個(gè)獨(dú)立按鍵組成，接P2.0，當(dāng)已知輸入P1.1信號(hào)為方波，且需要測(cè)量占空比時(shí)，按下按鍵，即可測(cè)量出方波占空比和脈沖寬度。

　　顯示電路用的是1602液晶顯示器，電路圖如圖2所示。

　　在本應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)中，使用單片機(jī)P1.1口作為待測(cè)信號(hào)輸入端。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　該數(shù)字頻率計(jì)軟件程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括頻率測(cè)量模塊、周期測(cè)量模塊、占空比測(cè)量模塊和脈寬測(cè)量模塊。

　　主程序框圖如 圖3所示。

　　上電復(fù)位之后，程序便處于運(yùn)行階段，若只需測(cè)量出待測(cè)信號(hào)頻率及周期，則不用按鍵，定時(shí)器經(jīng)待測(cè)信號(hào)觸發(fā)，直接捕捉相鄰上升沿，并讀出對(duì)應(yīng)的兩次TAR值，通過(guò)將兩個(gè)值相減，然后采用除整取余運(yùn)算，得出每一位的十進(jìn)制數(shù)字，最后在顯示屏上顯示出相應(yīng)的頻率與周期。

　　若已知待測(cè)信號(hào)為方波且用戶需要測(cè)量該方波的占空比及脈沖寬度，可按下獨(dú)立按鍵，單片機(jī)程序進(jìn)入方波測(cè)量程序模塊，啟動(dòng)定時(shí)器捕捉相臨上升、下降和上升沿，并讀出相對(duì)應(yīng)的3個(gè)TAR值，再通過(guò)類似上述求頻率的方法，可得出所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，最后在顯示屏上顯示出占空比及脈沖寬度。

　　一次測(cè)量之后，程序循環(huán)，繼續(xù)判斷，若輸入信號(hào)頻率有變化，測(cè)量顯示的結(jié)果也會(huì)相應(yīng)變化，從而達(dá)到了實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào)的電參數(shù)的功能。

4 測(cè)試及分析

　　設(shè)計(jì)完成之后，分別對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法：使用信號(hào)發(fā)生器(DG1022)和數(shù)字示波器(DS1052)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)由作者自制電源供電，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)和示波器輸入同樣的正弦波、三角波、方波和矩形波，通過(guò)對(duì)兩者測(cè)量結(jié)果的比較，確定系統(tǒng)性能。表1所示為測(cè)試結(jié)果。

　　經(jīng)測(cè)量可知，此頻率計(jì)能測(cè)量的頻率范圍為1 Hz~ 1 MHz，且測(cè)量誤差在0.01%之內(nèi)，周期、脈寬、占空比均低于1%。

5 結(jié)論

　　該簡(jiǎn)易頻率計(jì)能完成一定范圍內(nèi)的頻率、周期、占空比和脈沖寬度[8]的測(cè)量，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、功能全面的優(yōu)點(diǎn)。該簡(jiǎn)易頻率計(jì)是對(duì)電子計(jì)數(shù)器領(lǐng)域多功能和多用途的拓展研究[9-10]，具有一定的應(yīng)用前景。

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