MSP430在频率测量系统中的应用

1万 · 2014-6-12 23:31

　　1 概述

　　在通信系统中，频率测量具有重要地位。近几年来频率测量技术所覆盖的领域越来越广泛，测量精度越来越高，与不同学科的联系也越来越密切。与频率测量技术紧密相连的领域有通信、导航、空间科学、仪器仪表、材料科学、计量技术、电子技术、天文学、物理学和生物化学等。

　　频率测量一般都是由计数器和定时器完成，将两个定时／计数器一个设置为定时器，另一个设置为计数器，定时时间到后产生中断，在中断服务程序中处理结果，求出频率。这种方法虽然测量范围较宽，但由于存在软件延时，尽管在高频段能达到较高的精度，而低频段的测量精度较低。所以利用单片机测频时，如果选择不好的测量方法，可能会引起很大的误差。测量频率时如果不是真正依靠硬件控制计数或定时，而是由软件查询或中断响应后再停止计数，虽然理论上能达到很高的精度，但实际测量中由于单片机响应有一定的时间延迟，难以做到精确测量。本系统设计以MSP4130单片机为核心，在软件编程中采用C430语言，采用硬件逻辑和软件指令相结合的方法，取代单纯用软件指令控制闸门，使闸门的开启与计数同步。这种测量方法保证了测量误差与被测频率无关，实现了高低频段的等精度测量。

　　2 工

作原理

　　频率是微波仪器的重要参数。微波频率测量是检测仪器是否正常运行的有效手段，而提高频率测量精度是微波频率测量可靠性的保证。

　　本频率计主要是针对微波微扰法单腔测湿系统而设计的，频率测量范围由微扰测湿系统的混频器输出范围确定。

　　整个测湿系统如图1所示，在没有湿蒸汽流过谐振腔时，其谐振频率为9.6 GHz，此频率较高，一般不能直接测量，而是采用混频的方法。输入压控振荡器(VCO)的电压范围为0 V～10 V，其工作特点是电压每变换1 V，将产生1 MHz的频偏，调整VCO的中心频率为9.6 GHz，则压控振荡器VCO的输出频率范围为9 600 GHz～9 610 GHz。再设置本地振荡器频率为9.6 GHz，经混频后对0 MHz～10MHz的差频信号进行实时测量。因此，频率计的频率范围为0 MHz～10 MHz。

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　　2.1 频率计原理

　　等精度频率计的硬件逻辑原理图如图2所示，主要由MSP430单片机、标准晶振、1个D触发器、2个与非门、复位电路、显示电路等组成。其中MSP430单片机是由德州仪器公司推出的16位超低功耗高性能产品，它内部具有丰富的定时资源，内含看门狗定时器(WDT)和基本定时器，定时器A(Timer_A)和定时器B(Timer_B)结构基本相同，都是16位定时器。本设计选用定时器A和定时器B分别对待测频率FX和标准频率F0计数，在预定的闸门时间内，如果计数器A的计数值为N1，计数器B的计数值为N0，则待测频率为：

　　为了减少误差，应确保闸门的开启和关闭与待测信号同步。单片机的标准频率为8 MHz，其计数最高可达到8 MHz，(一个时钟周期可以执行一条指令，传统的MCS51单片机需要12个时钟周期才可执行一条指令)，而测量范围是0 MHz～10 MHz，故计数时需要先对计数器分频，MSP430系列单片机内部定时器Timer_ A和Timer_ B自带分频器，可以对所测频率进行1、2、4、8分频，使设计电路简单，并且能达到测量要求。

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　2.2 系统工作原理

　　为了实现高精度、等精度的双计数频率测量，计数相关器是关键，所谓计数相关器就是使门信号和待测信号同步。当按下S1、S2、S3三个按键中的任一按键时，与门U1(图2中未给出)输出0信号使D触发器清零，Q端输出0信号使与非门U2和U3封锁。与此同时，软件指令设置TACTL和TBCTL使定时器A和定时器B清零，做好计数准备。单片机的P5.1口和D触发器的D端相连．在计数前P5.1口输出始终为零，这样计数信号不能通过与非门到达计数器，然后用软件指令向P5.1口写入信号1，当被测信号Fx的第一个上升沿到达时，与非门U2和U3开启，标准信号和待测信号同时计数。当计数满时，TBIFG1置位，产生中断，在中断服务程序中对P5.1口写入“0”信号，做好关闭闸门的准备，但这时闸门并没有真正关闭，等待被测信号的上升沿到来，闸门关闭，停止计数。由此可知，在整个计数过程中，从闸门开启到闸门关闭，实际闸门开启时间是被测信号计数周期的整数倍，避免了由于非整数周期造成的误差，实现了闸门开启和关闭与待测信号的同步。由于计数器Timer_B至少产生一次中断才能关闭闸门，理论上在此期间基准脉冲数为NB=8×65 536(8为计数器Timer_B的分频系数)。图3是等精度实现原理图。

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　2.3 寄存器设置

　　定时器基本操作的控制包含在定时器控制寄存器TACTL和TBCTL中，因此在利用定时器Timer_A和Timer_B计数之前，必须根据需要设置TACTL和TBCTL，其中SSEL1和SSEL0选择定时器输入分频器的时钟源，ID1和IDO选择输入的分频系数，MC1和MC0位选择计数模式。TACTL和TBCTL的设置如表1所列。

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　3 等精度测量的实现

　　N1和N0分别为计数器Timer_A和Timer_B记得的数值，F0为标准晶体的频率，Fx为待测信号的频率，T闸门时间，则：

　　由于计数器A的计数脉冲与闸门同步，因而不存在±1的误差。对于标频计数器B，由于门控启闭的随机性以及T／TC(TC为标频信号的周期)之比为非整数，时间零头无法计入，故存在±1的误差。对(3)式求导，则

　　故精度为：

　　由(6)式可知，测得的精度与被测信号无关，仅与标准信号和闸门时间有关，故可实现测量范围内的等精度测量。而且闸门时间越长，标准频率越高，精度也就越高。标准频率可由稳定度好，精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门宽度缩短，即可提高测试速度。

1万 · 2014-6-12 23:32

　　误差来源：

　　(1) 实际闸门对标准频率的随机性导致计数值NB的±1误差是主要误差。

　　(2) 时钟脉冲产生的标准频率F0的稳定度产生的测量误差。时钟脉冲由晶体振荡器产生。由于目前晶体振荡器主要分为温补晶体振荡器和恒温

晶体振荡器两大类，其中，温补晶体振荡器体积小，开机时间短，稳定度一般在10-7数量级以上。而恒温晶体振荡器的稳定度更高，因而相对于量化误差，标准频率误差可以忽略。公式(6)就是在忽略标准频率误差的情况下得到的。由于分频系数为8，则测频精度为1／(8×65 536)=1.907e-6。若要进一步提高频率测量的精度则可以增加分频系数。

1万 · 2014-6-12 23:32

　　4 CPLD设计

　　本系统设计采用Altera公司生产的CPLD器件EPM7128实现其中的逻辑部分。用MAXPLUS+11软件工具开发，采用Verilog语言编程。设计输人完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、延时仿真生成配置文件和下载文件，最后下载至EPM7128器件，实现其硬件功能。仿真波形如图4所示，其参数为：beice=8 MHz，biaozhun=50 MHz。结果表明各信号的逻辑功能和时序配合都达到了期望指标。不同被测频率的仿真值如表2所列。

1万 · 2014-6-12 23:32

　　5 结束语

　　本频率计的设计将MSP430单片机的计数器Timer_A和Timer_B均设置为计数方式，比以往一个定时／计数器作定时器，另一个定时／计数器作计数器的方式计数精度要高，并且测量精度与被测信号无关，实现了0 MHz～10 MHz频率范围内的等精度测量，智能闸门控制方式使测量方便、灵活。本频率测量系统还能实现更高频率测量范围的等精度测量，这时要根据不同测量系统的要求选择24位、32位计数器。

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