基于MSP430F449的数字频率计设计

1万 · 2013-11-24 20:49

摘要：
本文主要介绍了MSP430F449单片机的性能特点，结合前置双模分频器SAB6456A和高速数字分频器 74HC390的典型应用，给出了以MSP430F449为主控芯片的射频数字频率计的硬件设计和软件的主程序流程，设计出了一种全自动、数显的射频频率计。
关键词：MSP430；捕获；射频分频；动态扫描显示技术

本文利用前置分频器SAB6456A和高速数字分频器74HC390的分频功能，结合新型的MSP430F449单片机，给出了一种新颖的、全自动的数显测量射频频率的设计方案。
图1 信号的前端处理及分频电路

1万 · 2013-11-24 20:49

主要器件介绍
MSP430F449单片机
MSP430F449 采用16位RISC结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。它的特点包括：
- 超低的功耗：能够在1.8V~ 3.6V的电压下工作；具有工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM)。在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6ps。
- 较强的运算能力：16位的RISC结构，丰富的寻址方式；具有16个中断源，可以任意嵌套；在8MHz时钟驱动下指令周期可达125ns；内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多达64KB的Flash程序空间和2KB的RAM，为存储数据和运算提供了保证。
- 丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基本定时器，比较器，16位定时器(TA、TB)，串口0、1，液晶显示驱动器，6个8位的I／O端口，12位ADC (最高采样率200kHz)等。丰富的片上外设可以很方便地构建一个较为完整的系统。另外，充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，保证了一些复杂的时序控制任务的完成。
- 方便高效的开发环境：MSP430F449是Flash型器件，片内有调试接口和电可擦写的Flash存储器，可以先下载程序到Flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计师调试。这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。
前置分频器SAB6456A
SAB6456A是专为UHF/VHF设计的前置分频器。内部的MCpin为分频控制端，可对频率范围为70MHz-1GHz的信号进行64/256分频，当MC pin开路时为64分频；当MC pin接地时为256分频。有较高的灵敏度和较强的谐波抑制能力。

图2 单片机外围电路

1万 · 2013-11-24 20:50

工作原理
该设计主要分两部分：分频和计数。首先，输入信号限幅后经SAB6456A分频，256分频后的信号再经两片74HC390高速分频器进行1000分频，此时模拟信号变为低频数字信号，频率在10kHz以下；其次，分频后的信号直接接入MSP430F449单片机，利用内部的16位定时器A来定时和计数。该定时器可分为几个部分：计数器部分，捕获/比较寄存器及输出单元。其中，计数器有4种工作模式，3个捕获/比较寄存器。利用计数器的连续计数模式和上升沿捕获模式，在定时器中断中计数N个脉冲信号时间，再除N得到频率。

硬件设计
图1为信号的前端处理及分频设计。输出后的信号再经两片SN74HC390分频，SN74HC390是高速分频器件，最高分频频率为50MHz。每片SN74HC390可实现100分频，采用两片串联，可实现对信号的1000分频，经分频后的数字信号频率较低，约4kHz以下，可由单片机直接计数。
图2为单片机外围电路，包括复位电路，电源电路和单片机工作必须的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz两种，8MHz 作为定时器A的计数器输入时钟源；32.768kHz 作为数码管的显示频率。74LS373为D型锁存器，5V单电源供电，因输出电流足够大，也可以直接驱动共阴极LG3631AH型数码管。

1万 · 2013-11-24 21:01

软件设计
将分频的输出端OUT接至单片机的频率输入端，程序开始先延时一段时间，待信号稳定。开捕获中断和定时器A，在定时器A 中断中计数N个脉冲，测量结束后得到N个脉冲的时间，然后除N得到脉冲的频率，乘以分频系数得到实际频率并显示，经过短暂延时后重新测量，如此循环测量并显示。
在测量频率时，为保证精度要关掉LED显示，所以，对于频率较低的信号会发生LED闪烁的情况，解决办法是测量较少个脉冲以减少平均测量时间或减少延时。
采用动态扫描显示，动态扫描显示的原理是：由P4向各个位轮流输出扫描信号，使每一位瞬间只有一个数码管被选通，然后由P3向该位输入显示的字型码，驱动该位字形段显示字形。这样，在P3送出的码段和P4送出的位段的配合下，使各个数码管轮流显示各自的字形，每位的显示时间要超过1ms，这样人眼就感觉不到闪烁了。
测量主程序如下：
void frequency_measure(void)
{
  float tmp,tmp1;
  key_flag=0;       //按键标志清0
  P1OUT|=BIT0;
  Delay(1000);       //延时一段时间等待信号稳定
while(1)
{ IE2&=~0X80;       //关BT，关LED
  firstflag=1;       //开始测量第一个脉冲
  TACTL|=TAIE;       //开捕获
  CCTL1|=CCIE;       //开timer a
  while (f_ok_flag==0);//等待测量结束
  f_ok_flag=0;
  if (aa1>aa2)
   overflow=overflow-1;
  tmp=aa2-aa1;
  tmp1=40.0/(overflow*0.008191875+(tmp/8000000.0));
  result=tmp1*0.256;
  IE2|=0X80;          //开BT,开LED
  yanshi(2,2);    //可以修改这里的参数，越大表示延时越长，太小的话LED就会变暗
  CCTL1&=~CCIE;       //关捕获
  TACTL&=~TAIE;       //关timer a
return;
}
}
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1万 · 2013-11-24 21:03

1万 · 2013-11-24 21:03

结语
本文给出的硬件和软件均经过实践检验，使用该测量仪器所测结果精度较高。该测量仪器价格较低，结构简单，是一种经济型的频率测试仪。

基于MSP430F449的数字频率计设计

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