设计并制作闸门时间为1s的数字频率计

摘要频率计用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1s。本设计以ARM核心处理器，设计并制作了闸门时间为1s的数字频率计,能够测量频率。该频率计硬件部分高速比较器74HC14整形电路组成。利用32定时器的ETR功能可准确测出低高频信号，实现了对正弦波的频率测量。经测试该频率计性能良好，正弦信号频率测量范围可从1Hz到25MHz。关键词：STM32；高速比较；测频一、系统方案论述1.整形电路的比较与选择方案一：由施密特触发器对74HC14信号进行调理，可以直接输出TTL电平，。 方案二：由比较器整形后的信号再由施密特整形，输出TTL电平。从性能上讲此方案较好，但是由于时间问题，找不到合适 的高速比较器和施密特触发器组合。综上选择方案一。 2.微处理器的比较与选择方案一：采用STM32对调理后的信号测频。输入信号的测量能达到频率达到100MHz，测频精度高，速度快。方案二：采用430测频，但是最多测量到16M而且引脚速度不够 导致无法完成指标内的频率测量为了更好地实现题目要求，我们选择方案一。3.测频方法的选择与比较方案一:输入捕获测频法是累积单位时间里的周波数，在频率较低时采用。频率较高时精度低，但不适合高频的测量。方案二：周期法是测一个周期的时间，通过周期转换成频率，在频率较低时采用。频率较低时精度高但不适合高频。方案三：利用ETR外部信号触发将外部的信号（测量信号）作为计数信号，不用经历中断产生时间延时，ETR可以直接作为时钟输入也可以通过触发输入（TRGI）来作为时钟输入即在时钟模式1中触发源选择为ETR，两个效果上是一样的。可准确测出低高频，在低频段使用不分频ETR触发，高频时使用4分频测量提高测量范围。由于输入信号的要求为1Hz25MHz，所以选择方案三。4.系统总体方案通过高速比较器74HC14对信号源的波形进行整形，输出标准的方波。STM32测量波形并且在LCD上显示。5.测频精度分析由于输入信号的频率范围为1Hz25MHz，所以stm32采用定时器的外部触发功能测频的方法，低频不分频，高频采用4分频测频。STM32强大的数据处理能力大大提高了测频的精度。二、电路与程序设计1电路设计74HC14的作用：六反相斯密特触发器74HC14是一款兼容TTL器件引脚的高速CMOS器件，逻辑功能为6路斯密特触发反相器，其耗电量低，速度快。在电子工业中，现已基本取代74LS14（TTL器件）。74HC14引脚图: 图1 引脚功能74HC14真值表:真值表：Y=AInput输入output输出AYLHHL图1-1基本电路仿真图图1-2 F=10M 正弦波整形方波图1-3 F=25M正弦波整形波图由此可见74HC14的整形时间有限到25M就难以整形，实际电路中74HC14仍然可以整形25M正弦波，只是波形幅度小失真较大。图1-4实物25M整形方波图2程序设计STM32定时器ETR功能简述ETR: 外部触发输入引脚，如果用外部信号产生触发事件的话，信号就从这个脚进来。时钟来源时钟可以由下列时钟源提供：内部时钟(CK_INT)外部时钟模式1：外部输入脚(TIx)外部时钟模式2：外部触发输入(ETR)STM32的定时器具有计数功能，在实际应用中可以用来对引脚上的输入信号进行统计。其输入信号作为计数时钟，输入引脚为ETR。TIM_ETRClockMode2Config(TIM2,TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0);使用ETR时钟作为计数时钟需要设置为外部时钟模式2，故调用该函数，在设置时1、关闭预分频：TIM_ExtTRGPSC_OFF。 可选项: TIM_ExtTRGPSC_OFF 0x0000 TIM_ExtTRGPSC_DIV2 0x1000 TIM_ExtTRGPSC_DIV4 0x2000 TIM_ExtTRGPSC_DIV8 0x30002、外部触发极性ETR不反相，高电平或上升沿有效：TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted。 可选项： TIM_ExtTRGPolarity_Inverted和 TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted。3、外部触发无滤波器：0000。TIMx_ETR和TIMx_CHx有什么区别？答：TIMx_ETR在计数器之前，可以作为计数器的计数时钟，而TIMx_CHx在计数器之后。程序流程图如下 MAIN函数 开启定时器5（定时1秒）开启定时器4（定时1秒） TIM3 ETR计数（0分频）TIM2 ETR计数（4分频否否TIM4是否计数溢出？TIM3是否计数溢出是是 取出TIM3-CNT的计数值并算出频率取出TIM2-CNT的计数值并计算出频率LCD显示LOW,HIG频率值引脚本系统软件设计部分基于ARM平台，主要完成频率的测量和显示。充分利用了stm32高速处理高频信号的能力。程序如下。三、测试方案与测试结果1测试仪器和方案 （1）测试仪器：100M Tektronix TDS 1012C-EDU数字示波器 25M信号发生器RIGOL DG4102 （2）测试方案：通过定幅值变频率测试频率计的性能； 2测试结果（1） 频率适应性测试结果见表F-1。表F-1设定（Hz）实测(Hz)设定（kHz）实测(Hz)设定（MHz）实测(Hz)11.0000101000019999891001001009999654999790300300300299995109999680600600600599996151499918990090090089999625249998840最大相对误差为11600/25*106=4.65*10(-5)符合题目误差要求。(2)实际测试图 F=25M F=100KHZ F=1HZ (3) 测试结果与分析由各项测试结果可知，该设计很好的完成了基本要求和发挥部分的要求，且大部分误差远远低于题目要求，性能良好。四、总结本频率计的设计采用STM32控制器的方案较好的完成了题目所有的基本要求和发挥部分。采用等精度测频，低频和高频的精确度都比较好。对输入信号的进行调理，为软件测频提供了强力的支持。由于74HC14的整形波形范围有限，到25M以上就开始严重至真，而单片机直接测信号发生器的方波能测到40M以上，未来需要在整形和滤波下功夫，争取测到100M以上。参考文献【1】用STM32触发捕捉实现高速高精度测频 黄春平 中山职业技术学院电子信息工程系，中山528404【百度文库】2黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计(第2版)M.北京:北京航空航天大学出版社,2011.13 张志成 基于STM32单片机的频率计的设计 河西学院物理与机电工程学院 五、程序代码#include led.h#include delay.h#include key.h#include sys.h#include lcd.h#include usart.h #include adc.h#include stm32f10x_tim.h#include malloc.h#include string.h#include mmc_sd.h#include ff.h#include exfuns.h#include fontupd.h#include text.h#include flash.hu8 cc=24;u32 x=0,y=0; extern u32 f; extern u32 l,nn;/ALIENTEK战舰STM32开发板实验17/ADC 实验 /技术支持：/广州市星翼电子科技有限公司 void TIM2_GPIO_Configuration(void);void TIM2_Configuration(void);void TIM4_Init(void);void Pluse_Get_init(void); int main(void) u16 adcx;float temp;delay_init(); /延时函数初始化 NVIC_Configuration(); /设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级uart_init(9600); /串口初始化为9600 LED_Init(); /LED端口初始化LCD_Init(); /Adc_Init(); /ADC初始化POINT_COLOR=RED;/设置字体为红色 LCD_ShowString(60,50,200,16,16,WarShip STM32);LCD_ShowString(60,70,200,16,16,DAC TEST);LCD_ShowString(60,90,200,16,16,ATOMALIENTEK); POINT_COLOR=RED; LCD_ShowString(60,110,200,16,16,MY NAME IS:JIANG TIAN); LCD_ShowString(60,130,200,16,16,NUM:20134470104); LCD_ShowString(60,150,200,16,16,LOW Fre: HZ); LCD_ShowString(60,190,200,16,16,HIG Fre: HZ); TIM4_Init(); TIM3_GPIO_Configuration();TIM2_GPIO_Configuration();TIM2_Configuration();Pluse_Get_init();TIM5_Int_Init(4999,7199);while(1)void TIM2_GPIO_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; /GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /50M时钟速度GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);void TIM2_Configuration(void) /只用一个外部脉冲端口TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure ;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE) ;/配置TIMER2作为计数器 TIM_DeInit(TIM2);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF ;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x00 ;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0 ;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up ;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_ITConfig( /使能或者失能指定的TIM中断TIM2, /TIM2TIM_IT_Update, /TIM 允许更新，触发 ENABLE /使能);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; /TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; /先占优先级03级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); TIM_ETRClockMode2Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_DIV4 , TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0);TIM_SetCounter(TIM2, 0); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); void TIM4_Init(void) TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); /时钟使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =4999; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =7199; /设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; /设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); /根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_ITConfig( /使能或者失能指定的TIM中断TIM4, /TIM2TIM_IT_Update | /TIM 中断源TIM_IT_Trigger, /TIM 触发中断源 ENABLE /使能);TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE); /使能TIMx在ARR上的预装载寄存器NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM4_IRQn; /TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; /先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); /使能TIMx外设 u32 count,counter1;u32 sum=0,counter;void TIM4_IRQHandler(void) /TIM4中断 / TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET) /检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源 TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update );counter=(u32)TIM_GetCounter(TIM2);TIM_SetCounter(TIM2,0);sum=sum+counter; count+; if(count=2) x=counter1*65536+sum;x=x*4;if(x200000)LCD_ShowxNum(124,190,x,9,16,0);elseLCD_ShowxNum(124,190,0,9,16,0);/LCD_ShowxNum(124,150,f,9,16,0); sum=0; count=0;counter1=0; LED1=!LED1; void Pluse_Get_init(void) TIM2_GPIO_Configuration();TIM2_Configuration();TIM4_Init(); void TIM2_IRQHandler(void) if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) /检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源 TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); counter1=counter1+1; #include timer.h#include led.h/通用定时器中断初始化/这里时钟选择为APB1的2倍，而APB1为36M/arr：自动重装值。/psc：时钟预分频数/这里使用的是定时器3! u32 f=0; u32 cont=0,fff; u32 l,n,nn; u16 this_time_CH1 = 0; u16 last_time_CH1 = 0; u16 capture_number_CH1 = 0;u16 tmp16_CH1;/定时器1通道1输入捕获配置void TIM5_Int_Init(u16 arr,u16 psc) TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE); /时钟使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; /设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; /设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); /根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_ITConfig( /使能或者失能指定的TIM中断TIM5, /TIM2TIM_IT_Update ,ENABLE /使能);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; /TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; /先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器TIM_Cmd(TIM5, ENABLE); /使能TIMx外设 void TIM5_IRQHandler(void) /TIM3中断if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET) /检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源 TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中断待处理位:TIM 中断源 fff=(u32)TIM_GetCounter(TIM3);TIM_SetCounter(TIM3,0);cont+=fff;l+;if(l=2)f=nn*65536+cont;if(f200000)LCD_ShowxNum(124,150,f,9,16,0);elseLCD_ShowxNum(124,150,0,9,16,0); cont=0; nn=0; l=0;/TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中断待处理位:TIM 中断源 /void TIM3_GPIO_Configuration(void)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure ; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; /GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /50M时钟速度GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);/TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBas