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1、中文摘要频率的测量方法有：直接测量法,间接测量法,例如周期测频法、V-F转换法等。基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而降低针对传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，在对等精度测量原理和测量误差进行详尽介绍和分析的基础上，介绍了基于单片机的等精度频率计的系统构成和工作原理，以及系统的硬、软件设计。 本文采用单片机MCS-51作为系统控制单元,辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的等精度频率计设计.通过单片机对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将传统的测频功能转为测周期,采用多用期同步测量技术
2、,实现了等精度测量.等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。关键词： 周期测频法，单片机控制，软硬件结合。 AbstractFrequency measurement method: direct measurement, indirect measurement, such as cycle frequency measurement method, V-F conversion method. Based on the traditional frequency measurement principle of the
3、 frequency of measurement accuracy will be tested with the frequency change and reduce the traditional frequency measurement principle of measurement accuracy with the measured signal frequency and reduce the decline, in the more practical limitations, in equal precision measurement principle and me
4、asurement error in detail introduction and Analysis on the basis, introduces the equal precision frequency meter based on microcontroller system composition and working principle of the system, and the hardware, software design. This paper adopts the single chip MCS-51 as the system control unit, su
5、pplemented by appropriate software, hardware resources in order to complete single-chip microcomputer as the core design of equal precision frequency meter. By means of single chip controlling the synchronous gate, so that the measured signal and standard signal in the gate time synchronization meas
6、urement, in order to improve the accuracy, the traditional frequency measurement function for measuring cycle, using multiple period synchronization measurement technology, realizes the equal precision measurement. The equal precision frequency measuring the quantization error can be eliminated, in
7、the beta band to maintain the high accuracy constant, its precision is not due to the frequency of measured signal and change.Key words : the cycle frequency measurement, single chip control, the combination of hardware and software. 目录 毕业设计（论文）任务书2中文摘要4Abstract5一 绪 论81.1课题研究的背景81.2等精度频率计的测量原理81.3 设
8、计思路及技术指标10二 MCS-51单片机系统结构和原理122.1 MCS-51单片机的简介122.2 MCS-51单片机的结构122.2.1 MCS-51单片机的结构特点122.2.2 MCS51单片机的结构框图132.3 MCS51单片机的外部引脚功能132.3.1引脚功能描述142.4 MCS-51单片机内部存储器162.4.1 内部数据存储器（RAM）162.4.2内部程序存储器（ROM）182.5单片机输入输出端口192.5.1并行I/O口192.5.2串行I/O口22三 硬件设计233.1系统的整体框图233.2 电源电路233.3单片机部分243.4计数电路253.5显示电路26
9、四 软件设计274.1系统软件整体设计274.2 测频及测周程序设计284.3初始化液晶304.4 显示程序图314.5主循环32五 系统调试335.1 硬件调试335.2软件调试335.3 等精度频率计测量误差分析34致 谢35参考文献36 一 绪 论本文讲述了等精度频率计的工作原理以及其各个组成部分，记述了整个设计过程中对各个部分的设计思路、对各部分电路设计方案的选择、以及对它们的调试、对调试结果的分析，最终得到实验结果。1.1课题研究的背景随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种
10、完全突破传统概念的新一代测量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。传统的频率计测量误差较大，等精度频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。 传统的测频方法有直接测频法和测周法1，在一定的闸门时间内计数，门控信号和被测信号不同步，计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步，消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差，可以在整个测试频段内保持高精度不变，其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。采用单片机作为控制核心的等精度频率计，可以充分利用单片机软件编程技术
11、实现等精度测频。通过单片机对同步门的控制，使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量，为了提高精度，将电子计数功能转为测周期，采用多周期同步测量技术，实现等精度测量。1.2等精度频率计的测量原理 等精度频率计的测量原理如图1-1图1-1 等精度频率计测量原理图基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。传统的直接测频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低，测周法的测量精度将随被测信号频率的升高而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。等精度频率的测量原理图1-1 所示。频率为fx 的被测信号经通道滤波、放大
12、、整形后输入到同步门控制电路和主门1（闸门），晶体振荡器的输出信号作为标准信号（时基信号）输入到主门2。被测信号在同步控制门的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被测信号与标准信号（时基信号）在同步门控制信号的控制下。在同步门打开时通过同步门分别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端，计数器开始计数。同步门关闭时信号不能通过主门，计数器停止计数，单片机发出命令读入计数器的数值，并进行数据处理，将处理后的结果送显示。等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。如图1的测量原理图所示由单片机发出预置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即在高频段时，闸
13、门时间较短；低频时闸门时间较长。实现了全范围等精度测量，减少了低频测量的误差。在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量；另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿开始计数，同步门关闭后计数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。即在实际闸门时间计数，从而提高了测量精度。由于采用D 触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx 值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0 的值仍存在1 误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现
14、等精度频率测量。1.3 设计思路及技术指标一 设计方案以MCS-51型单片机为核心，结合其它的一些芯片一起设计一个等精度频率计。根据本设计的要求和方案的设想，总结一下本设计要做的具体的工作主要有以下几个方面:第一 ，分析与论证本设计所采用的方案，包括主控系统、显示系统等的分析以及这些模块的功能等。在对设计要求充分分析的基础上，划分功能模块，选择需要的硬件设备。第二 ，收集大量等精度频率计方面的资料 包括文字资料和试验数据，总结规律。可以有两种方法实现。常用数字频率测量方法有H法，T法和M/T 法。M法是在给定的闸门时间内，测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于闸门
15、时间的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。T法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频率。其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。幼/T法具有以上2种方法的优点，当他通过测量被测信号数个周期的计数次数，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。但是，M法，T法和M/T 法都存在士1计数误差问题。M法在规定闸门时间内存在士1个被测信号的脉冲计数误差，T法或M/T 法也存在士1个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。本设计在研究总结上述方法的基础上，得出了一
16、种新的频率测量方法，该方法利用相位全同步方法消除限制测量精度提高的士1个数字误差问题，从而使频率测量的精度和性能大为改善。然 而一 种 新的方法的实际应用比提出来更难，要考虑各种可能的问题，首先就是由于采用的新的设计方法使得电路的复杂程度成倍增加，因此如果还采用传统数字电路来实现则将使PCB板面积变得异常庞大与复杂。信号走线长，导致系统误差增大，难以提高系统的工作频率，此外，PCB板的集成度不高还将导致高频信号容易受到外界的干扰，反而可能降低测频精度。 2 MCS-51单片机系统结构和原理2.1 MCS-51单片机的简介本设计中采用了MCS-51单片机作为中心处理系统进行研究。MCS-51系列
17、单片机是由Intel公司于1980年推出的8位高档单片机系列，是在中低档系列的基础上发展而成的。它采用HMOS工艺，提高了芯片的集成度，与此前的单片机相比，在性能上得到了很大提高，在结构上扩充了ROM和RAM的容量，增加了如乘、除和减等指令运算，以及串行通信口和中断源，其主要特点如下。 (1) 扩大了内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM)的容量。 (2) 具有布尔代数运算能力。 (3) 具有32个双向可被独立寻址的I/O口。 (4) 具有56个中断源，可以分为两个中断优先级。 (5) 具有丰富的指令系统。 (6) 具有全双工传输信号UART的能力。 (7) 片内具有时钟振荡电路。控
18、制器是控制整个单片机系统各种操作的部件，它包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器译码器、程序存储器和数据存储器的地址/数据传送控制等。从编程的角度看，MCS-51CPU对用户开放的寄存器主要有以下几个：累加器ACC、寄存器B、程序计数器PC、数据指针DPTR（由DPH和DPL两个8位寄存器组成），程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP。2.2 MCS-51单片机的结构 2.2.1 MCS-51单片机的结构特点MCS-51系列单片机为哈佛结构1）内ROM：4KB 2）内RAM：128B3）外ROM：64KB4）外RAM：64KB5）I / O线： 32根（4埠，每埠8根）6）定时/计数器：2个16
19、位可编程定时/计数器7）串行口：全双工，2 根8）寄存器区：工作寄存器区、在内128B RAM中，分4个区，9）中断源：5源中断，2级优先10）堆栈：最深128B11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理2.2.2 MCS51单片机的结构框图MCS-8051单片机的内部结构如图：21图21画出了8051单片机的内部系统组成的基本框图：T0T1XTAL2XTAL1RXDTXDP3P2P1P0INT1INT0并 行接 口串行接 口64KB总线扩展控制器定时/计数器ROM RAM中断控制CPU时钟电路 图21 MCS51单片机系统组成基本框图 由图21可以看出，MCS51系列单片机8051是由中央处理
20、器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出（I/O）口电路、定时器/计数器等若干部件组成，再配置一定的外围电路，如时钟电路、复位电路等，即可构成一个基本的微型计算机系统。2.3 MCS51单片机的外部引脚功能MCS51系列单片机的芯片一般都采用40个引脚的双列直插式封装（DIP）方式。其中有些CHMOS制造工艺的单片机芯片还采用44个引脚的方形封装（LCC或QFP）方式，44个引脚中标识有NC的4个引脚为空引脚。MCS51系列单片机的典型芯片8051采用40个引脚的双列直插式封装（DIP）方式，芯片的引脚图如图2-2和图2-3所示： 图2-3图2-3 MCS51系列单片机芯片的引脚
21、图及逻辑图2.3.1引脚功能描述一、主电源及地引脚VCC（40脚）：电源，正常操作时接+5V电源。VSS（20脚）：地线。二、外接晶振引脚XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输入端）。XTAL2（18脚）：接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输出端）。三、并行输入/输出引脚P0.0P0.7（3932脚）：8位漏极开路的三态双向输入/输出口。P1.0P1.7（18脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。P2.0P2.7（2128脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。P3.0P3.7（1017脚）：8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。四、控制类的引
22、脚RST/VPD（RESET，9脚）：复位信号输入引脚，高电平有效。在该引脚上输入持续2个机器周期以上的高电平时，单片机系统复位。复位是单片机系统的初始化操作，系统复位后会对专用寄存器和单片机的个别引脚信号有影响，复位后对一些专用寄存器的影响情况如下：表2-1 表2-1 复位对寄存器的影响PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE0000000BPCON00000BTMOD00H其中（PC）=0000H，系统复位后，使单片机从0000H单元开始执行
23、程序。当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时，可按复位电路以重新启动单片机。（SP）=07H，单片机自动把堆栈的栈底设置在内部RAM 07H单元，从08H单元开始存储数据。（P0P3）=0FFH，系统复位后，对P0P3的内部锁存器置“1”，其余的专用寄存器在复位后都全部清“0”。此外，复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，如把ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=1，PSEN=1。复位操作对内部RAM不产生影响。对于使用6MHZ的晶振的单片机，复位信号持续时间应超过4s才能完成复位操作。产生复位信号的电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路两种方式。（1）上电自动复位电路上
24、电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，该电路通过电容充电在RST引脚上加了一个高电平，高电平的持续时间取决于RC电路的参数。上电自动复位电路如图24所示。（2）按键手动复位电路按键手动复位是通过按键实现人为的复位操作，按键手动复位电路如图25所示： /VPP(31脚)：访问程序存贮器选择信号输入线。当为低电平时，CPU只能访问外部程序存储器。当 为高电平时，CPU可访问内部程序存储器（当8051单片机的PC值小于等于0FFFH时），也可访问外部程序存储器（当PC值大于0FFFH时）。（29脚）：外部程序存储器的读选通输出信号，低电平有效。在读外部程序存储器时CPU会送出有效的低电平信
25、号。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出端，高电平有效。在访问外部存储器时，该信号将P0口送出的低8位地址锁存到外部地址锁存器中。2.4 MCS-51单片机内部存储器 2.4.1 内部数据存储器（RAM）MCS-51单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。地址范围为00HFFH（256B）。是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。（一）MCS-8051扩展8KB外部RAM的电路外部RAM与外部
26、I/O口统一编址，即CPU对外部RAM和I/O口不进行区分。MCS-51单片机的数据存储器(RAM)和程序存储器(ROM)的地址是重叠的，但因为程序存储器使用了控制线PSEN，所以在实际应用中不会发生混乱。扩展8KB外部数据存储器的电路如图2-7 图2-7 8051扩展8KB外部RAM的电路1.6所示。（二）内部RAM低128单元8051低128个单元是真正的内部数据RAM区，是一个多功能复用性数据存储器，其按用途可分为三个区域。如图2-8所示： 图2-8 8051内部RAM低128单元配置1、工作寄存器区（00H1FH） 也称为通用寄存器，该区域共有4组寄存器，每组由8个寄存单元组成，每个单
27、元8 位，各组均以R0R7作寄存器编号，共32个单元，单元的00H1FH。在任一时刻，CPU只能使用其中一组通用寄存器，称为当前通用寄存器组，具体可由程序状态寄存器PSW中RS1，RS0位的状态组合来确定。通用寄存器为CPU提供了就近存取数据的便利，提高了工作速度，也为编程提供了方便。2、位寻址区（20H2FH）内部RAM的20H2FH，共16个单元，计168=128位，位地址为00H7FH。位寻址区既可作为一般的RAM区进行字节操作，也可对单元的每一位进行位操作，因此称为位寻址区，是存储空间的一部分。3、用户RAM区（30H7FH）所剩80个单元即为用户RAM区，单元地址为30H7FH，在一
28、般中把堆栈设置在该区域中。对内部RAM低128单元的使用作几点说明：（1）8051的内部RAM 00H7FH单元可采用直接寻址或间接寻址方式实现数据传送。（2）内部RAM 20H2FH单元的位地址空间可实现位操作。当前工作寄存器组可通过软件对PSW中的RS1，RS0位的状态设置来选择。（3）8051的堆栈是自由堆栈，单片机复位后，堆栈底为07H，在程序运行中可任意设置堆栈。堆栈设置通过对SP的操作实现。2.4.2内部程序存储器（ROM）MCS-51内部有4KB/8KB字节的ROM（51系列为4KB，51系列为8KB），用于存放程序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，简称内部RAM。地址范围
29、为0000HFFFFH（64KB）。大多数51系列单片机内部都配置一定数量的程序存储器ROM，如8051芯片内有4KB掩膜ROM存贮单元，AT89C51芯片内部配置了4KB FlashROM，它们的地址范围均为0000H0FFFH。内部程序存储器有一些特殊单元，使用时要注意。其中一组特殊单元是0000H0002H。系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始执行程序。如果不是从0000H开始，就要在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便转去执行指定的应用程序。另外，在程序存储器中有各个中断源的入口向量地址，分配如下：0003H000AH：外部中断0中断地址区000BH0012
30、H：定时器/计数器0中断地址区0013H001AH：外部中断1中断地址区001BH0022H：定时器/计数器1中断地址区0023H002AH：串行中断地址区中断地址区首地址为各个中断源的入口向量地址，每个中断地址区有8个地址单元。在中断地址区中应存放中断服务程序，但8个单元通常难以存下一个完整的中断服务程序，因此往往需要在中断地址区首地址中存放一条无条件转移指令，转去中断服务程序真正的入口地址。从002BH开始的的单元才是用户可以随意使用的程序存储器。对程序存储器的操作作以下说明：（1）程序指令的自主操作。CPU按照PC指针自动的从程序存储器中取出指令。（2）用户使用指令对程序存储器中的常数表
31、格进行读操作，可用MOVC指令实现。2.5单片机输入输出端口2.5.1并行I/O口单片机芯片内还有一项重要的资源是并行I/O口，MCS51共有四个8位的并行I/O口。分别是：P0，P1，P2，P3。所谓口是集数据输入缓冲，数据输出驱动及锁存等多项内容为一体的I/O电路。P0，P1，P2，P3的内部结构分别由如图29（a）、（b）、(c)、(d) 所示。一、P0口P0口是功能最强的口，可作为一般的I/O口使用，也可作为数据线、地址线使用。当P0口作为一般的I/O口输出时，由于端口各端线输出电路是漏极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。当P0口作为一般的I/O口输入时，必须使电路中的锁存器
32、写入高电平“1”，使场效应管FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚输入的干扰，使P0.状态始终为“0”。 图29（a） P0的内部结构二、P1口P1口通常作为通用I/O口使用。作为输出口时，由于电路内部已经带上拉电阻，因此无需外接上拉电阻；作为输入口时，也需先向锁存器写入“1”。是一个标准的I/O口。 图29（b） P1的内部结构三、P2口P2口可作为通用I/O口使用，也可作为高位地址线使用的。 图29（c） P2的内部结构四、P3口P3口可作为通用I/O口使用，也可作为第二功能需要来用的。P3口引脚的第二功能：如表2-2 表2-2口线第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1T
33、XD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求信号输入P3.3INT1外部中断1请求信号输入P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通 图29（d） P3的内部结构MCS51系列单片机的并行I/O接口有以下应用特性：0，P1，P2，P3作为通用双向I/O口使用时，输入操作是读引脚状态；输出操作是对口的锁存器的写入操作，锁存器的状态立即反映到引脚上。P1，P2，P3口作为输出口时，由于电路内部带上拉电阻，因此无需外接上拉电阻。P0，P1，P2，P3作为通用的输入口时，必须使电路中的锁存器写入高电平“1”，使场效
34、应管（FET）VF1截止，以避免锁存器输出为“0”时场效应管VF1 导通使引脚状态始终被钳位在“0”状态。I/O口功能的自动识别。无论是P0、P2口的总线复用功能，还是P3口的第二功能复用，单片机会自动选择，不需要用户通过指令选择。两种读端口的方式。包括端口锁存器的读、改、写操作和读引脚的操作。在单片机中，有些指令是读端口锁存器的，如一些逻辑运算指令、置位/复位指令、条件转移指令以及将I/O口作为目的地址的操作指令；有些指令是读引脚的，如以I/O口作为源操作数的指令 MOV A，P1。I/O口的驱动特性。P0口每一个I/O口可驱动8个LSTTL输入，而P1、P2、P3口每一个I/O口可驱动4个
35、LSTTL输入。在使用时应注意口的驱动能力。2.5.2串行I/O口MCS51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据通信。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 三章硬件设计3.1系统的整体框图采用等精度测频原理的频率计系统组成方框图（如图3-1），其中FPGA完成基本的测频、测周模块功能。整形模块对输入波形进行整形。按键来选择测频、测周及占空比。通过对MCS-51软核进行编写程序对测频和测周模块的数据进行处理，并通过按键对测频、测周及占空比的选择。 图 3-1 系统框图3.2 电源电路此次设计的电源需求，共需要用到+5V，+15V
36、，-15V三种电压，其中+15V，-15V直接由外部电源直接产生提供，而+5V电源自行设计，主要提供给AT89C52单片机使用，直接设计在电路当中，原理见图3-2:图 3-2 +5V电源电路在图3-1中，首先电源电压220V经过变压器变压产生一个18V左右的交流电压，再经过桥式整流电路和2200uF滤波电容C4的滤波产生一个20V左右的直流电压，再经7805三端稳压块产生一个+5V的电压，再次经过1000uF滤波电容C5再次滤波，+5V电压就很稳定。3.3单片机部分MCS-51单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、
37、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。单片机的硬件连接图如图3-3所示。 图3-3单片机硬件链接图 3.4计数电路单片机选用MCS-51，其中P1.0 用于控制同步门D 触发器74LS74 产生同步的闸门信号，P1.2 用于对74LS393 组成的计数器清零，一次计数完成后单片机通过控制两片74LS244 读取被测信号与标准信号的低8 位计数值，高位计数值在单片机的T0、T1 中。然后单片机对计数值进行运算处理，并送出显示。计数器包括事件计数器和时间计数器两部分，它们是两组完全相同的计数电路。分别由前后两级组成。前级由双4 位异步计数器74LS393 级联构成八位二进制计数
38、器；后级由MCS-51 单片机内的定时/计数器构成十六位二进制计数器。标准信号部分采用10MHz 石英晶体振荡器来提供测量所需要的标准脉冲信号。由于采用D 触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx 值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0 的值仍存在1 误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。3.5显示电路显示是常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实
39、现，因而得到广泛的应用，本次方案采用了数码管显示。 数码管硬件连接图如下图3-4 图3-4 显示电路图 四 软件设计系统软件的设计主要是和硬件电路相结合，正确地实现等精度测量。整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的程序统一管理执行。它主要完成各种功能，如测量、 数据运算、显示等。如图4所示为频率测量主程序流程图，在计数前对计数器清零。然后，发出命令打开闸门进入闸门时间，计数器在闸门时间内计数。延时子程序结束后，发出命令关闭闸门使计数器停止计数；单片机再依照程序读取计数器的值，并与单片机内部计数器所计的值合并在一起。由公式（1），即被测频率fx=f0
40、Nx/N0来进行运算，由于精度要求，Nx和N0都由24位二进制数来计数。因此，要在单片机内部进行多字节无符号二进制数的乘法和除法运算，并将运算结果转换成BCD码，显示运算结果。4.1系统软件整体设计本系统采用MCS-51单片机软核对测频和测周模块进行控制整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的程序统一管理执行。它主要完成各种功能，如测量、 数据运算、显示等通过按键来控制测频、测周及占空比的选择。如图4-1 如图4-1 软件系统整体设计4.2 测频及测周程序设计通过对等精度频率计测频时序图（图4-2）和等精度频率计测周时序图（图4-3）。 图4-2 测
41、频子程序 图4-3 测周子程序4.3初始化液晶 图4-4 液晶初始化流程图4.4 显示程序图图4-5 液晶显示控制流程图4.5主循环主循环中，先对标准信号计数，判断flag是否满20，如果满20则代表计数满1s，此时计算计数器T0中数值，然后再加上P1口的数据，则为此次计数值。下次计数为对待测信号的计数，与标准信号计数原理相同。最后将两次信号比较，得到待测信号的频率值。如图4-3图4-3 主循环流程图 五 系统调试5.1 硬件调试硬件电路主要包括模拟电路部分，单片机外围电路及显示电路，在联调之前必须要验证这几个部分能正常工作。把仿真机的仿真头插到电路板单片机的插槽中，接通仿真机和电路板的电源，
42、然后打开界面输入显示子程序进行编译、加载调试。如果能在液晶上显示正确的数字，则单片机与显示部分能够正常工作。经过反复的调试与修改，单片机部分验证完毕。模拟电路部分分低频和高频两部分，分别进行调试。低频部分通过输入一个0到10MHz的信号，幅度为30mV，通过示波器观察其输出，可以看出其输出幅度为3.7V，实现了放大功能。高频部分通过输入一个大于1MHz的高频信号，幅度在50mV左右，可以发现其输出变为幅度为3V左右的方波，实现了放大功能。5.2软件调试软件调试与所选用的软件结构有关，如果采用模块程序设计技术，则逐个模块调好后再进行系统程序总调。如果采用实时多任务操作系统，一般是逐个任务进行调试
43、。对于模块结构程序要一个个子程序分别调试。调试时，一定要符合入口条件和出口条件，调试可用单步运行和断点运行方式，通过检查用者系统的CPU现场情况。RAM的内容和IO口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求，有无循环错误。有无机器码错误以及转移地址的错误，同时，还可以发现用者系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误。各程序模块通过后，则可以把相关功能块连在一起进行总调。这个阶段若有故障，可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场，缓冲单元。工作寄存器是否发生冲突，标志位的建立和清除是否有误，堆栈区是否有溢出，输入设备的状态是否正常等等，若用者系统是在开发机的监控程序下运行时，还要考虑用者缓冲单元是否和
44、监控程序的工作单元发生冲突。整个系统包括硬件平台和软件功能实现两部分。硬件包括MCU核心系统和外围辅助电路。软件包括程序调试器软件、8051 IP核控制频率模块及显示。整个系统测试包括硬件平台测试和软件功能测试。在硬件验证时，FPGA采用ALTERA公司CYCLONE系列的EP2C5TP144C8,双时钟频率，测频模块的标准频率为40MHz,其它部分(含MC8051)逻辑工作时钟频率为12MHz,系统建立后实现了对MC8051定时器定时功能的验证。频率计模块进行测试。5.3 等精度频率计测量误差分析由原理可知，公式 fx=f0Nx/N0 成立。设所测频率的准确值为f x0。在一次测量中，由于fx 计数的起停时间是由该信号的上升沿控制的，因此，在T 时间内对fx 的计数NX无误差。在此时间内f0 的计数N0 最多相差一
