cpld复合单片机的等精度测频系统硬件部分(附件)
该设计是通过CPLD芯片实现测量频率的计数功能，利用单片机对控制信号的传输，完成等精度测频的工作。本次设计的测频仪使用更精确的测频设计，即等精度测频。与传统的测频相比，等精度测频的测量精度更高，而且它的测量速度更快，测量过程更加稳定，完全消除了传统的测频的缺点。等精度测频仪是使用了CPLD芯片对需测数据的测量，进行频率，占空比和脉冲宽度的计数；凭借着单片机掌控信号的输出，进而对电路的运行控制，实现测试频率、获取占空比、测量脉宽。本文对硬件电路的设计进行了分析，将电路分成若干个小模块，一个个单独讲述，分别是CPLD模块、单片机模块、外围电路模块。 本文完整的说明了测频系统由上至下的设计思想，硬件电路的原理和设计。关键词 频率仪，占空比，等精度，单片机，测量精度
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 平台开发介绍 2
1.3 小结 4
2 原理实现 4
3 硬件设计 5
3.1 系统顶层电路设计 5
3.2 测量频率模块的设计和原理介绍 6
3.3 单片机主控模块 11
3.4 外围电路路设计 13
4 硬件调试 17
4.1 实验测试的方法 17
4.2 系统的硬件验证 17
5 现象分析 22
结论 24
致谢 25
参考文献26
附录A 测频系统原理图 28
附录B PCB图 29
1 引言
1.1 课题背景
在物理实验或是在工程测量中，我们会需要测量非常多的物理量的数值，例如对周期的测量，对速度的测量，对无线通讯时钟的矫正等等，都能够使用对频率的测量来实现。在现如今，等精度测频技术已经被应用到生产生活的方方面面，科学研究领域也是无法缺少这项技术的支持，高精度测频技术会一直推动着我们的社会向前发展，生产水平不断进步。
在现阶段，一大部分的测量频率的设备都会使用单片机结合其外部的高速计数器的方式，从而达到对于频率的高精确度以及高速度的测量。但是由于单片机本身的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
条件限制，主要是单片机本身的较慢的工作频率限制，这会影响到产品仪器，无法实现更高的工作频率。随着市场需求的快速增长，EDA技术也随着迅猛发展。当然，这也是由于飞速成长的集成电路工艺水平和计算机自动化设计技术，使EDA技术快速蔓延到各个行业当中去。在高精度测频仪的设计中，使用单片机与CPLD相辅相成的设计，可以让高精度测频仪的系统设计迈向更高，更优化的一个阶段，这主要是利用单片机良好的人机互动，卓越的数据分析和逻辑分析；同时，还有高速度、高可靠性和高集成度的CPLD器件。两者相互结合，使得测频仪的效能更加显著。
在电力电子系统和通讯系统中，测频技术一直是一个不可以被忽视的环节。因为电子技术的发展，人们对电子产品的品质要求越来越高，测频技术的发展也越来越不容忽视，对信号频率的测量精确度越来越高。所以对于高精度测频仪的市场需求不断增长，过去的传统测频仪器已经远远不能满足时代的需求，因为传统的测频仪的测量精度较低，渐渐会被这个市场所抛弃。在这次的测频仪的设计中，采纳了等精度测频的工作原理，使得所设计的频率仪的测量精度和测量速度远远高于传统的测频仪。在这次的电子设计中，所使用的是ATMEL公司生产的AT89C51单片机结合ALTERA公司生产的MAXII系列CPLD芯片，其型号为EPM240T100C5N。AT89C51单片机是ATMEL公司生产的新型的单片机，它具有强抗干扰能力、超低功耗以及高速度的特点。它可以任意的选择12时钟周期和6时钟周期，并且该单片机可以完全兼容传统的8051单片机，其最新版本内部有专用复位电路，可以看出这是一款性能超强的单片机，成本低廉也是我们选择该单片机的一个重要原因。EPM240T100C5N是ALTERA公司生产的MAXII系列的CPLD芯片，这是一款低成本，低功耗的CPLD芯片，具有即开即用，不挥发性的特点。该芯片的待机电流很低，可以提供快速传输延迟以及时钟输出，EPM240T100C5N具有192个宏单元数，它拥有12个逻辑阵列块，逻辑阵列块LAB被分成行与列分布在器件上，MAX系列器件还提供全局的时钟网络，其可以给芯片内的所有元素提供时钟功能，用来控制信号。在EPM240T100C5N中还包含了一个flash存储器，位置在该芯片的左边。C语言和VHDL语言都是我们经常会在设计中使用的计算机语言，它们分别用来单片机和CPLD芯片的编写。这次所设计的等精度测频仪结合了AT89C51单片机和EPM240T100C5N芯片的优点，大大的提高了测频仪的性能，使它不仅具有单片机的强抗干扰，超低功耗，易编程的特点，还利用了CPLD芯片的高可靠性，高集成度和高速度的特长。
1.2 开发平台介绍
1.2.1 Quartus II概述
Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于ALTERA公司开发的软件有Quartus II和MAX+plus II，它们都可以用来开发FPGA和CPLD芯片。Quartus II是在MAX+plus II的基础上进一步优化所推出的软件。Quartus II能够支持比MAX+plus II更多的芯片族，例如MAX+plus II所不支持的MAX II、APEX系列等等。很多的新功能在Quartus II上都有体现，在设计输入的过程中，片上可编程系统开发，block editor,DSP builder等功能被新加入；在设计实现和优化的过程中，I/O口的分配计划与分析，逻辑锁定等功能被加入；在系统设计的过程中，设计空间搜索，功率估算等功能被新加入。这个软件可以实现一些特殊的设计需求，并为用户提供了一个高效和完整的多平台设计体验。FPGA和CPLD在设计过程中，Quartus II能够提供更加完美的处理措施，推动设计的进程。在设计的过程中，我们如果遇到设计步骤的错误，就需要进行修改，设计。
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 平台开发介绍 2
1.3 小结 4
2 原理实现 4
3 硬件设计 5
3.1 系统顶层电路设计 5
3.2 测量频率模块的设计和原理介绍 6
3.3 单片机主控模块 11
3.4 外围电路路设计 13
4 硬件调试 17
4.1 实验测试的方法 17
4.2 系统的硬件验证 17
5 现象分析 22
结论 24
致谢 25
参考文献26
附录A 测频系统原理图 28
附录B PCB图 29
1 引言
1.1 课题背景
在物理实验或是在工程测量中，我们会需要测量非常多的物理量的数值，例如对周期的测量，对速度的测量，对无线通讯时钟的矫正等等，都能够使用对频率的测量来实现。在现如今，等精度测频技术已经被应用到生产生活的方方面面，科学研究领域也是无法缺少这项技术的支持，高精度测频技术会一直推动着我们的社会向前发展，生产水平不断进步。
在现阶段，一大部分的测量频率的设备都会使用单片机结合其外部的高速计数器的方式，从而达到对于频率的高精确度以及高速度的测量。但是由于单片机本身的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
条件限制，主要是单片机本身的较慢的工作频率限制，这会影响到产品仪器，无法实现更高的工作频率。随着市场需求的快速增长，EDA技术也随着迅猛发展。当然，这也是由于飞速成长的集成电路工艺水平和计算机自动化设计技术，使EDA技术快速蔓延到各个行业当中去。在高精度测频仪的设计中，使用单片机与CPLD相辅相成的设计，可以让高精度测频仪的系统设计迈向更高，更优化的一个阶段，这主要是利用单片机良好的人机互动，卓越的数据分析和逻辑分析；同时，还有高速度、高可靠性和高集成度的CPLD器件。两者相互结合，使得测频仪的效能更加显著。
在电力电子系统和通讯系统中，测频技术一直是一个不可以被忽视的环节。因为电子技术的发展，人们对电子产品的品质要求越来越高，测频技术的发展也越来越不容忽视，对信号频率的测量精确度越来越高。所以对于高精度测频仪的市场需求不断增长，过去的传统测频仪器已经远远不能满足时代的需求，因为传统的测频仪的测量精度较低，渐渐会被这个市场所抛弃。在这次的测频仪的设计中，采纳了等精度测频的工作原理，使得所设计的频率仪的测量精度和测量速度远远高于传统的测频仪。在这次的电子设计中，所使用的是ATMEL公司生产的AT89C51单片机结合ALTERA公司生产的MAXII系列CPLD芯片，其型号为EPM240T100C5N。AT89C51单片机是ATMEL公司生产的新型的单片机，它具有强抗干扰能力、超低功耗以及高速度的特点。它可以任意的选择12时钟周期和6时钟周期，并且该单片机可以完全兼容传统的8051单片机，其最新版本内部有专用复位电路，可以看出这是一款性能超强的单片机，成本低廉也是我们选择该单片机的一个重要原因。EPM240T100C5N是ALTERA公司生产的MAXII系列的CPLD芯片，这是一款低成本，低功耗的CPLD芯片，具有即开即用，不挥发性的特点。该芯片的待机电流很低，可以提供快速传输延迟以及时钟输出，EPM240T100C5N具有192个宏单元数，它拥有12个逻辑阵列块，逻辑阵列块LAB被分成行与列分布在器件上，MAX系列器件还提供全局的时钟网络，其可以给芯片内的所有元素提供时钟功能，用来控制信号。在EPM240T100C5N中还包含了一个flash存储器，位置在该芯片的左边。C语言和VHDL语言都是我们经常会在设计中使用的计算机语言，它们分别用来单片机和CPLD芯片的编写。这次所设计的等精度测频仪结合了AT89C51单片机和EPM240T100C5N芯片的优点，大大的提高了测频仪的性能，使它不仅具有单片机的强抗干扰，超低功耗，易编程的特点，还利用了CPLD芯片的高可靠性，高集成度和高速度的特长。
1.2 开发平台介绍
1.2.1 Quartus II概述
Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于ALTERA公司开发的软件有Quartus II和MAX+plus II，它们都可以用来开发FPGA和CPLD芯片。Quartus II是在MAX+plus II的基础上进一步优化所推出的软件。Quartus II能够支持比MAX+plus II更多的芯片族，例如MAX+plus II所不支持的MAX II、APEX系列等等。很多的新功能在Quartus II上都有体现，在设计输入的过程中，片上可编程系统开发，block editor,DSP builder等功能被新加入；在设计实现和优化的过程中，I/O口的分配计划与分析，逻辑锁定等功能被加入；在系统设计的过程中，设计空间搜索，功率估算等功能被新加入。这个软件可以实现一些特殊的设计需求，并为用户提供了一个高效和完整的多平台设计体验。FPGA和CPLD在设计过程中，Quartus II能够提供更加完美的处理措施，推动设计的进程。在设计的过程中，我们如果遇到设计步骤的错误，就需要进行修改，设计。
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