智能化光功率检测系统 - 目录.doc

摘 要在光电技术突飞猛进发展的今天，光功率检测技术也在不断进步。随着宽带通信技术的快速发展，通信网络中大量使用光纤作为传输介质，因此光功率检测也就越来越多地被应用于科研、生产的各个部门。传统的检测方法耗时长、效率低，检测的准确性也极易受人为操作的影响。本文叙述了一种基于CPLD的智能化光功率检测系统的总体构成。由于采用了CPLD技术，使系统结构、成本大为简化。文中详细叙述了系统硬件设计、仿真与具体实验结果。在光功率检测系统的研究中，由于采用了现代检测手段，使测量精度大大提高。而且由于采用了自动控制，使控制过程中剔除了人为因素的干扰，控制准确，提高了劳动生产率。关键词：光功率检测 等精度测频 智能控制 CPLD ABSTRACTToday,the light-electricity technology develop very quickly,light power detection technology also constant progressive.Following wide frequent band correspond technology development,in correspond network ,a large number of optical fiber were used of transmit vehicle.So light power detection was use in the departmentof scientific research and production more and more.It takes lots of time in conventional detection method.Its efficiency also lower and the exact was usually influenced by man-made operate.The paper introduce a totoal system constitute about intellect light power detection that is on account of CPLD. As having adopted CPLD skill ,the structure and cost of the system are reduced considerably. This paper discusses systematic hardware design, emulation and experiment result in detail . In the research of light power detection system, as having adopted modern detection means, measure precision improves greatly. Furthermore, having adopted automation in this paper, artificial factor disturbance is rejected in the controlled process. Control is accurate and labor productivity is increased. Key words: light power detection,the same precision frequency measure,intellect control, CPLD- 1 -目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 研究意义11.3 论文研究的目的与内容2第二章 智能化光功率检测系统32.1 智能化光功率检测装置的工作原理32.2 光功率测量基本原理42.2.1 计数式测频电路的基本原理和误差分析42.2.2 等精度频率测量原理及误差分析6第三章 智能化光功率检测装置的硬件设计93.1 系统总体方案设计93.2 EDA技术在电路设计中的运用93.2.1 EDA技术的涵义及特征93.2.2 EDA技术的主要内容103.2.3 常用EDA工具123.2.4 EDA的工程设计流程133.2.5 MAX+PLUS软件简述143.2.6 EDA技术在本设计中的应用153.3 单片机技术在系统中的运用193.3.1 单片机技术概述193.3.2 MCS-51单片机技术的应用193.3.3 AVR单片机的应用203.4 接口电路设计203.4.1 89C51单片机与CPLD接口逻辑设计203.4.2 89C51与PC机的串行通讯接口设计21第四章 系统软件设计244.1 串行通讯软件设计244.1.1 MCS-51单片机串行口244.1.2 串行口的波特率设定244.2 单片机处理程序254.3 基于虚拟仪器的软件设计264.3.1 虚拟仪器概述264.3.2 Labview软件简介294.3.3 利用虚拟仪器制作上位机控制面板30第五章 系统可靠性设计365.1 干扰的来源365.2空间干扰及抗干扰措施365.3 供电系统的干扰及抗干扰措施365.4 过程通道的干扰及抗干扰措施365.5 印刷电路板的抗干扰设计36第六章 测试与分析37结论与展望39致 谢41参考文献42附录1 等精度频率计的CPLD原理图44附录2 等精度频率计的VHDL语言实现45附录3 单片机处理程序清单47附录4 等精度频率计的原理图设计50附录5 等精度频率计的PCB电路板设计51I第一章 绪 论1.1 引言随着现代信息技术的发展，光子以其独特的优点，具有极快的响应速度，极大的频宽、信息容量和极高的信息效率推动科学技术的发展，具有越来越大的竞争力。光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分，是现代检测技术最重要的手段和方法之一，是计量检测技术的一个重要发展方向。光功率检测是现代光通信中最基本的光电检测技术。在实际工程和科研中，需要测量光功率的场合越来越多，尤其是对光终端设备或器件进行功能测试及故障诊断时，往往需要在一定时间内不间断测量和记录光功率值，既消耗大量时间、精力，又使人为误差的机率升高，同时由于测量人员测量和读取过程缺乏规律性，使测量结果不能直接作为系统辨识、功能测试及故障诊断的依据。本文介绍了一种利用单片机和CPLD测频从而间接测量光功率的检测装置，其硬件设计中采用了EDA自上而下的设计方法，其主要特点如下：(1)电路设计更趋合理。(2)采用系统早期仿真,大大缩短系统的设计周期，降低费用。(3)降低了硬件电路设计难度。(4)主要设计文件是用 HDL语言编写的源程序。用HDL语言的源程序作为归档文件有很多好处：一是资料量小，便于保存；二是可继承性好，当设计其它硬件电路时，可以使用文件中的某些库、进程和过程程序；三是阅读方便，阅读程序很容易看出某一硬件电路的工作原理和逻辑关系，而阅读电原理图，推知其工作原理需要较多的硬件知识和经验，而且看起来也不那么一目了然。该装置具有测试智能化、便携、准确性高、投资省等特点。1.2 研究意义光功率检测是指测量绝对光功率或一段光纤中光功率的相对损耗。特别是在光纤系统中，测量光功率是最基本的。在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表，光纤技术人员应该人手一个。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。1.3 论文研究的目的与内容随着激光在科学研究、医疗卫生、机械加工、国防现代化等领域的广泛应用，光功率检测工作也愈加显得重要，全国各地技术监督部门相继建立了一些激光检测标准装置，保障激光量值准确、可靠地传递。而当前激光计量器具检测费时、费工，且容易引入人为误差，所以，实现激光计量器具检测智能化、自动化是一项十分重要的工作。本文利用单片机和EDA技术，研制了智能化光功率检测装置，该装置首先通过光频转换将测量光功率转化为测频率，然后经过单片机和CPLD进行测频，间接实现了对光功率的测量，同时实现了光功率测量智能化、自动化。设计中论述了该装置的工作原理、组成结构设计和程序设计。该装置使用方便、成本低、误差小，工作稳定可靠，具有较好的实用价值。第二章 智能化光功率检测系统2.1 智能化光功率检测装置的工作原理智能化光功率检测装置首先令待测光照射光电转换器件，再通过光频转换电路将光信号转变成频率信号，用赫兹单位表示所测光功率，从而将测功率转变为测频。其原理如图2.1所示图2.1光频率电路原理图本文中的光电转换器件是利用处于反偏的光敏二极管的电流源特性将功率转变为频率。光敏二极管是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。为了改善其线性特性和频率特性工作时一般加反偏电压，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻大小无关。由于光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，响应速度快，并且光照线性好，因此本装置设计中选用其作为光电转换器件。由于充电的结果，555定时器导通，电容C1放电至较低的触发电平，一旦达到该电平，定时器就截止，新的充放电过程重新开始。光频转换电路输出波形如图2.2所示图2.2 输出波形其频率为F= （2-1）Tch= （2-2）式中：Tch：充电时间V：两个阈值电压之间的电压差E：光功率S：二极管的光电流灵敏度，是波长的函数因为V可用定时器5脚来调整，故光电转换器件采用分压器校正2.2 光功率测量基本原理由上面介绍的光功率检测装置的工作原理，我们了解到，对光功率检测可以通过式（2-1）（2-2）转化为对输出频率的测量。所以光功率检测系统的核心部分是频率测量，下面就频率测量的基本原理作详细说明。采用不同的测量原理，可以设计出不同结构的频率测量电路。所以按测量原理来区分可分为谐振式、比较式和计数式三种类型。传统中比较常用的是计数式的测频方法，下面分析它的原理。2.2.1 计数式测频电路的基本原理和误差分析计数式测频电路的基本原理是将频率实行A/D转换，然后对数字量脉冲的个数，进行数字计数，最后把计数结果，以单位时间内脉冲个数之量值，用数字显示器直接显示出来。测量原理：频率是指单位时间内震动的次数。从测量的角度看，即在一定的闸门时间内，测得被测信号的脉冲数。其测量频率的方框图如图2.3所示。图2.3 直接计数式测频电路的原理图被测信号fx送入输入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的A输入端；闸门时间产生电路输出的门控信号，加到主门的B输入端。在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器。如果主门开启时间为T秒，计数器累计的数字为N，则被测的频率fx为： fx=N/T (2-3)主门启闭时间又称闸门时间。显然对某一被测频率fx而言，选用的闸门时间愈长，所测得数字N也愈大。频率测量的误差分析：由式（2-3）可知测频电路的原理，是严格按公式fx=N/T进行的。所以由N 和T两个变量而决定频率fx。根据误差理论中的误差合成公式：x （2-4） 可测得的相对误差： = （2-5）当t0且T=NTx时，排在闸门信号T两端的两个被测脉冲信号，可能同时进入主门，则计得的数值为N+1；但这两个脉冲也可能同时被排挤在主门外，这样记得的数值为N-1。可见，最大的计数误差为：N=1 （2-6）又因：N=T/Tx=T*fx，所以（2-5）式中的第一项可写成：N/N=1/T*fx （2-7）式中：T为闸门时间。fx为被测频率。从（2-7）式可知，计数式测频电路不管计得的数字多大，它的最大误差总是1个计数单位，即1误差。且当被测频率fx一定时，其fx/fx值与闸门时间T成反比。2.2.2 等精度频率测量原理及误差分析等精度测频的实现方法可以简单地用图2.4和波形图2.5来说明。图2-5中预置门控信号CL可由单片机发出，它是宽度为Tc的一个脉冲。CNT1和CNT2是两个可控的8位计数器，CLKEN是两个计数器的计数允许信号端，高电平有效。标准频率信号从CNT1的时钟输入端FSTD输入，其频率为Fs；经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端FINPUT输入，设其实际频率为Fxe，测量频率为Fx。见图2.4图 2.4 等精度测频法原理框图 图2.5 频率测量时序波形图测频开始前，首先发出一个清0信号CLR，使两个计数器和D触发器置0，然后由单片机发出允许测频命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿通过时Q端才被置1。当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同时启动计数器CNT1和CNT2。CNT1、CNT2分别对被测信号(频率为Fx)和标准频率信号(频率为Fs)同时计数。当预置门控信号为低电平时，随后而至的被测信号的上升沿将使这两个计数器同时关闭。设在一次预置门时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns，则下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns (2-8) 由此可推得： Fx=(Fs/Ns)Nx (2-9) 其误差分析如下：若设所测频率值为Fx，其真实值为Fxe，标准频率为Fs。在一次测量中，由于Fx计数的起停时间都是由该信号的上跳沿触发的，在Tpr时间内对Fx的计数Nx无误差；在此时间内Fs的计数Ns最多相差一个脉冲，即|et|1，则下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns (2-10) Fxe/Nx=Fs/( Ns+et) (2-11) 由此可分别推得：Fx=(Fs/Ns)Nx (2-12) Fxe=Fs/( Ns+et)Nx (2-13) 根据相对误差公式有： （2-14）将式(3-12)、(3-13) 代入式(3-14)并整理得： (2-15) |et|1 (2-16) 即 |= (2-17)Ns=TprFs (2-18)由上式可以得出以下结论： (1)相对测量误差与频率无关； (2)增大Tpr或提高Fs，可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度。 (3)标准频率误差为Fs/Fs,由于晶体的稳定度很高，标准频率误差可以进行校准。 (4)等精度测频方法测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号的频率无关。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等精度测量法的测量精度不变，而常规的直接测频法精度随着被测信号频率的下降而下降。测试电路可采用高频率稳定度和高精度的恒温可微调的晶体振荡器作标准频率发生电路。由于传统的计数式测频是在固定的闸门时间（T）内对未知脉冲个数计数（N），即可计算出被测脉冲的频率(fx=N/T).由于闸门时间通常不是未知脉冲周期的整数倍，因此将产生1 误差，测精度为 1/ N*100%。为提高测量精度，则要加大闸门时间内的计数值，而通过光频转换电路后的输出脉冲频率较低，需要很长的闸门时间，检测速度太慢，甚至无法满足实时检测的需求。利用等精度检测原理，即可从原理上克服误差，又可提高检测精度。所以本装置设计中的频率测量选用等精度测量的方法。第三章 智能化光功率检测装置的硬件设计3.1 系统总体方案设计本设计所介绍的光功率检测装置是通过等精度测频从而间接实现对光功率的测量，由于系统应用了CPLD技术使得电路简化，设计清晰易懂。与此同时,CPLD技术及单片机技术的有机结合，使得系统的智能化、自动化及测量精度都有了明显的改善与提高。3.2 EDA技术在电路设计中的运用EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展。随着EDA技术的发展，硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成，这样就大大缩短了硬件电子电路设计的周期。EDA技术是当今世界的一个技术热点，是现代电子工业中不可缺少的部分。3.2.1 EDA技术的涵义及特征EDA即电子设计自动化，是近几年来迅速发展起来的的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子学科是20世纪90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机技术为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言为设计语言的电子产品自动化设计过程。在EDA软件平台上，根据原理图或硬件描述语言完成的设计文件，自动地完成编译、化简、分割、综合及优化，布局布线、方针、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者仅需利用软件完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下，应用相应的CPLD/FPGA器件，就可以得到最后的设计结果。总的来说，现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统仿真和综合能力。主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品的生产周期等诸多方面。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错、并用VHDL、Verilog-HDL、ABEL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，然后再用逻辑综合优化工具生成具体的门及逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。3.2.2 EDA技术的主要内容1“自顶向下”的设计方法传统的电子设计技术通常是自底向上的，即首先确定构成系统最底层的电路模块或元件的结构和功能，然后根据主系统的功能和要求，将它们组成更大的功能块，使其结构和功能满足高层系统的需求。这样的方法不仅效率低、成本高，而且还容易出错。EDA技术为我们提供了一种“自顶向下”的设计方法。在方框图一级进行仿真、纠错、并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，然后再用逻辑综合优化工具生成具体的门及逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，不仅有利于发现早期结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时减少了逻辑功能方针的工作量，提高了设计的一次成功率。2.ASIC设计可编程ASIC即可编程逻辑器件，是一种用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。可编程逻辑器件自20世纪70年代以来，经历了PROM、PLA、PAL、GAL、CPLD和FPGA几个发展阶段。如果说从应用小规模集成电路（SSI）芯片构成电路系统，到广泛的应用微控制器或单片机是电子系统设计上具有里程碑意义上的飞跃，那么CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）是电子设计技术面临一次更大意义的突破。从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但却是一种更高层次的循环，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分。CPLD/FPGA不但在逻辑实现上是无限的，而且可触及硅片电路限度的物理极限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠以及宽口径实用性等诸多方面的特点。许多先进的信号分析方法都可以集成并由CPLD来实现。在CPLD/FPGA中使用组合逻辑可实现各种复杂的逻辑函数，这种方法比在MCU中用算法实现的方法更快速。CPLD/FPGA可以完成以往需要DSP芯片及大量外围器件才能实现的信号处理功能，CPLD/FPGA应用于电子系统的结果表明，采用CPLD/FPGA可以极大的简化系统结构，节省芯片面积，减少电路面积，降低系统的发热量和干扰，提高系统的可靠性，给调试和维修带来极大的方便。同时使硬件设计软件化，更新了传统电路设计和调试方式，缩短开发周期，特别是其设计方针和定时分析使得设计更可靠，确保了系统逻辑的正确性。3.硬件描述语言硬件描述语言(HDL)是相对于一般计算机软件语言而言的。HDL是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。首先利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定其结构特征和行为方式，然后利用综合器和适配器将此程序变成能控制CPLD/FPGA内部结构，并能实现其相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件。就CPLD/FPGA开发来说比较常用的事ABEL-HDL、AHDL、VHDL等。VHDL诞生于1982年，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。与其他的HDL语言相比，VHDL具有更强的行为描述功能，从而决定了它称为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保障。就目前EDA工具和VHDL综合器而言，将基于抽象行为描述风格的VHDL程序综合成为具体的CPLD/FPGA等目标器件的网表文件已不成问题。3.2.3 常用EDA工具EDA工具在EDA技术应用中占有极其重要的作用，EDA的核心是利用计算机完成电子设计全过程自动化，因此基于计算机环境的EDA软件支持是必不可少的。EDA软件可分为以下5个模块：1）设计输入编辑器2）综合器综合器的功能是将设计者在EDA平台上完成的对墨各系统地HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件结构组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得底层电路描述文件。其运行流程如图3.1所示图3.1 VHDL综合器运行流程3）仿真器EDA仿真测试技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从不同层次性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，按仿真电路的描述级别，HDL仿真器可以完成系统级仿真，行为级仿真，RTL级仿真，门级时序仿真。4）适配器适配器的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，产生最终的下载文件。5）编程下载3.2.4 EDA的工程设计流程基于EDA工具的CPLD/FPGA开发流程如图3.2图3.2 应用于CPLD/FPGA的EDA开发流程1.设计输入首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计意图用文本或图形的方式表达出来。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合作准备。2.综合综合是将软件设计与硬件可实现性挂钩，综合后综合器生成网表文件，利用产生的网表文件进行功能仿真，功能仿真仅对设计描述的逻辑功能进行测试模拟，不涉及具体的硬件特性。3.适配综合通过后必须用CPLD/FPGA布局/布线适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。4.时序与功能仿真仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对EDA设计进行模拟，以验证设计，排除错误。仿真可分为两个级别：时序仿真：接近真实器件运行特性的方针，已包含硬件特性参数，仿真精度高。功能仿真：直接对VHDL、原理图或其他描述形式的逻辑功能进行测试模拟，不涉及具体的硬件特性。5.编译下载编程下载是指将编程器件放到具体的可编程器件中去。6.硬件测试将含有载入了设计的CPLD/FPGA的硬件系统进行统一的测试，以便在更真实的环境下检验设计的运行情况3.2.5 MAX+PLUS软件简述MAX+PLUS开发工具室Altera公司推出的一种EDA工具，具有灵活高效、使用便捷的特点。MAX+PLUS开发系统具有以下特点：多平台、开放的界面、模块组合式工具软件、与结构无关、支持硬件描述语言、丰富的设计库。MAX+PLUS软件采用模块化的结构，如图3.3所示图3.3 MAX+PLUS软件组成（1）设计输入：主要包括文本设计输入，原理图输入，波形设计输入等。（2）项目管理：对项目进行编译。（3）项目校验：主要包括仿真和定时分析（4）器件编译：将编译生成的编程文件编程或配置到CPLD中使用MAX+PLUS进行可编程逻辑器件的开发主要包括4个阶段：设计输入、编译处理、验证和器件编程，其设计流程如图3.4所示图3.4 MAX+PLUS的设计流程3.2.6 EDA技术在本设计中的应用由于CPLD具有高速性、高可靠性等优点，本设计中的测频部分用CPLD的硬件描述语言VHDL和原理图设计完成。应用原理图的方法进行设计，可以把整个系统分成若干个模块分别设计，然后按照他们相应的输入和输出引脚连接起来，形成完整的系统，而每个分模块可以用原理图或者用VHDL语言编程实现。本系统在CPLD中的设计分成以下几个模块：控制模块，计数模块，锁存器模块。控制模块如图3.5所示，在用原理图设计方法实现测频系统时，可以像调用普通元件一样调用这个模块，只需要把相应的引脚连接上，就可以实现它的功能。图3.5 控制模块用VHDL语言编程生成的测频控制模块，程序清单如下LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY contrl ISPORT(FIN,START,CLR,FSD:IN STD_LOGIC;CLK1,EEND,CLK2,CLRC:OUT STD_LOGIC );END contrl;ARCHITECTURE mix OF CONTRL IS SIGNAL QQ1:STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(FIN,CLR,START) BEGIN IF CLR=1 THEN QQ1=0; ELSIF FINEVENT AND FIN=1 THEN QQ1=START; END IF; END PROCESS; CLRC=CLR; EEND=QQ1; CLK1=FIN AND QQ1; CLK2=FSD AND QQ1;END mix;其内部电路连接如图3.6，当D触发器的输入端START为高电平时，若FIN端来一个上沿，则Q端变为高电平，导通FINCLK1和FSKCLK2，同时EEND被置为高电平作为状态标志；在D触发器的输入端START为低电平时，当FIN端输入一个脉冲上沿，FINCLK1与FSDCLK2的信号通道被切断。图3.6 测频控制部分电路计数模块设计采用的是两个相同的计数器，每个计数器是由两个4位二进制同步计数器74161组成的8位计数器，模块如图3.7所示 图3.7 74LS161计数模块内部电路连接如图3.8图3.8 计数电路原理图两个计数器的输出结果通过2选1选择器来选通输出哪个计数器的值。并且这两个8位计数器的进位端口同单片机的T0和T1引脚相连形成两个24位的主计数器。在最后的计数值从CPLD的引脚输出之前为了防止数据的丢失，加一个74244缓冲器，这样，当CPLD内部两个8位计数器工作时，74244的数据输出端的数据不会因为计数器的计数值的变化而改变，就不会出现数据错误的现象。模块如下图3.9图3.9 74244锁存器模块把以上介绍的各个模块按照他们相应的引脚连接起来，就形成了完整的等精度测频系统。等精度频率计的总体电路原理框图见附录1，在Maxplus2软件中设计等精度频率计除了用原理图的方法外，还可以直接用VHDL语言编程实现。用VHDL硬件描述语言设计的等精度频率计的程序清单见附录2。3.3 单片机技术在系统中的运用3.3.1 单片机技术概述单片机就是在一块硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM、ROM、E-PROM）和各种输出输入接口（定时器/计数器、并行I/O口、串行口、A/D转换器及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。自20世纪70年代问世以来，单片机以其极高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。3.3.2 MCS-51单片机技术的应用单片机以其卓越的性能，得到了广泛地运用，以深入到各个领域。尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有高集成度，处理能力强，可靠性好，系统结构简单，价格低廉，易于使用等优点，已经在智能仪器仪表,工业检测控制，电力电子，机电一体化等方面取得了令人瞩目的成绩。MCS-51单片机的片内结构如图3.10所示图3.10 单片机的片内结构按功能划分，由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器，并行I/O（P0,P1,P2,P3）,串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。3.3.3 AVR单片机的应用1997年ATMEL公司挪威设计中心推出了全新配置的8位精简指令集微处理器，命名为AVR。AVR是一种指令内核的统称，它内部又分为ATtiny,AT90S和Atmega三大系列，分别对应AVR的低、中、高档产品。ATtiny系列中常用的有ATtiny15，ATtiny2313和ATtiny26等产品；AT90S系列中常用的有AT90S2313，AT90S8515和AT90S8535等。AT90S2313的引脚兼容AT89C2051;而AT90S8515的引脚兼容51单片机，因此在设计中很容易替代51单片机。ATtiny26,ATtiny2313,Atmega48/88/168,Atmega8,Atmega16,Atmega32, Atmega64, Atmega128是 Atmega系列的主流产品。其中Atmega8单片机以丰富的片内资源、低廉的价格而得到广泛应用。AVR单片机更适合采用高级语言开发，目前开发工具主要有IARC、WinAVR、ICCAVR。考虑到应用环境及性价比等诸多因素,本设计中选用MCS-51系列单片机作为开发元件。3.4 接口电路设计3.4.1 89C51单片机与CPLD接口逻辑设计CPLD（复杂可编程逻辑电路）是一种具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件，具有在系统可编程、使用方便灵活的特点；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。把CPLD同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。在功能上，单片机与大规模CPLD有很强的互补性。单片机具有性能价格比高、功能灵活、易于人机对话、良好的数据处理能力等特点；CPLD/FPGA则具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等优点。在本论文的计测频率系统中，89C51单片机的任务是通过信号线控制CPLD进行等精度测频并从CPLD中读取标准频率计数器和被测信号计数器的计数值，以及测量结果的处理和与上位机进行通信。下面是单片机和CPLD的硬件连接：P口被用于施加各种控制信号，其中：P作为整个计数系统的复位信号线，和CPLD的CLR端口相连；P作为预置闸门时间的控制线，和CPLD的CL端口相连；P作为查询实际闸门时间的状态线，和CPLD的EEND端口相连；P作为2选1选择器的控制端口，和CPLD的SEL端口相连。本测频系统用到的计数器由两部分组成，除了CPLD内部设计的两个8位计数器外，89C51单片机内部还有2个16位二进制定时器/计数器用做两个主计数器的一部分，并通过T、T引脚分别与CPLD中的两个8位计数器的进位端相连。CPLD中的两个8位计数器的计数结果通过2选1选择器与单片机的P口相连。图3.11 单片机与CPLD的硬件连接图3.4.2 89C51与PC机的串行通讯接口设计在MCS-51独立地完成数据处理和控制任务的同时又需将数据传输至PC机，PC机则可将这些数据显示于CRT并由打印机打印出来。因此必须解决PC机与单片机之间的通讯问题。本设计中下位机与上位机的通讯采用串行通讯，串行数据传输是用一条信号线传送一种数据，因此，不同系统或计算机之间通讯只要用几条信号线即可完成数据交换。这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通讯。其缺点是传送速率比较低。MCS-51单片机内部含有一个全双工的串行口，即能同时进行串行数据的发送和接收。但是，由于MCS-51的串行口并不是标准的RS232串行口，加上其波特率是由系统内部的时钟通过定时器产生的，误差大。而其处理数据的能力也比上位机慢的多。因此除了一些驱动、隔离电路及传送数据的信号线外，还必须有协调两端正常通讯的联络信号，这就引出了诸如硬件连接、波特率选择以及数据同步的技术问题。单片机的串行口是TTL电平，与RS232电平之间的转换就要用到电平转换芯片。我们用的是单电源供电的低功耗芯片MAX232。PC机通信适配器板引出的发送线TXD，通过接收器与单片机接收端（RXD）相连，单片机的发送端（TXD）通过发送器与PC机的接收端（RXD）连接。如此即可实现PC机与MCS-51单片机的通讯。单片机与上位机的通讯接口如图3.12所示。图 3.12 单片机与上位机的串行通讯接口异步通讯的波特率是指串行口发送或接收二进制数据的速率，在一个通讯系统中，发送端和接收端必须设置相同，才能保证可靠的通讯。PC机和外围设备进行数据通讯的时候，可以有并行的和串行的两种方式。由于串行进行数据通讯传输线条数少，再加上有许多的较便宜的专用芯片可以实现这种功能，这样发送器和接收器也简单，因而，计算机和数字设备之间的近程通讯，多采用串行通讯的方式。计算机和外围设备的串行通讯有同步和异步之分。同步串行通讯是指在约定的波特率下，发送和接收的两个频率保持同步，因为传送和接收的每位数据都保持同步，故传输的信息位数几乎不受限制。但必须在串行数据中加入同步脉冲，接收时将其分离出来，以实现同步，因此，发送和接收器比较复杂，成本较高。异步串行通讯是指在约定的波特率下，传送和接收的数据不需要严格的保持同步，允许有相对的延迟，即频率差别不大于，就可以正确的完成通讯，它实际上每传送一个数据靠数据的起始位同步一次，这种传送方式，要传送额外附加的控制信息，虽然速度较慢，但是经济适用。所以我们就采用异步串行通讯。第四章 系统软件设计硬件构成了整个测量系统的物理基础。硬件中各功能模块需通过一定的软件程序参与，才能完成自身功能。要使各功能模块协调配合，还需通过软件将它们连成一个有机整体，整个系统才能完成指定的功能，并具有“自动化”、“智能化”的特点。现代化测控系统的成败在很大程度上取决于软件平台。本系统软件设计包括串行通信设计，单片机处理程序设计及PC机控制板的设计4.1 串行通讯软件设计4.1.1 MCS-51单片机串行口单片机与PC机进行数据传输及对CPLD进行控制都需利用串行口控制，因此串行口的软件设计就显得十分必要。MCS-51单片机串行接口有两个物理上独立地接受和发送缓冲器SBUF，可同时发送和接收数据，两个缓冲器共用一个地址99H。控制MCS-51单片机串行口的控制寄存器一共有两个：SCON（串行口控制寄存器）和PCON（特殊功能寄存器）。SCON的字节地址为98H,PCON的字节地址为87H。4.1.2 串行口的波特率设定串行口每秒发送或接收的位数称为波特率。在串行通讯中，收发双方对发送或接收的波特率必须一致。通过MCS-51串行口可设置4种工作方式。其中方式0和方式2的波特率是固定的；方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的益处率来决定。 方式0发送数据时，其波特率为；方式2发送数据的波特率为。串行口在方式1和方式3的波特率由下式确定：波特率=（定时器1溢出率）/（32/2SMOD）串行口工作于方式1下，定时器T1工作于方式2，则波特率由下式确定：波特率其中:fosc为时钟振荡频率n为所用的计数器的位数X为定时器的预置值本设计中，振荡频率fosc=11.0592MHz，波特率为9600bps，定时器为8位，：则即定时器的预置值为#0FDH。4.2 单片机处理程序首先检测单片机和PC机的串口，如果单片机接收到PC机发送的55H并返回给PC 机后，说明串口通信正常。单片机P先发清零脉冲给CPLD，把P和P置1使CPLD的计数器工作，然后调用延时子程序通过P给CPLD发门控信号。CPLD计数过程中，单片机查询P是否有下跳沿，查询到下跳沿说明CPLD计数结束。通过把单片机的P置1和清0来使CPLD输出标准频率计数器和被测信号计数器的计数值，同时单片机的T1和T0接收两个计数器的进位。把接收到的六个数和定义好的头和尾分别保存在单片机的50H59H单元中，再通过串口把这十个十六进制数送给PC机进行数据处理和显示。单片机的程序流程图如下，单片机程序清单详见附录3图4.1 单片机处理程序流程图4.3 基于虚拟仪器的软件设计4.3.1 虚拟仪器概述虚拟仪器系统是不断革新的计算机技术与仪器技术相结合的产物。它利用目前计算机系统的强大功能，结合专用的硬件（包括数据采集卡、PXI仪器、GPIB卡、VXI仪器、PIC、串行设备、图像采集卡、运动控制卡等），大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级等。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计仪器的测量，功能。其实质是将可以完成传统仪器功能的硬件和最新计算机软件技术充分地结合起来，用以实现并扩展传统仪器的功能，来完成数据采集、分析及显示。虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统，核心是软件技术。美国国家仪器公司(NATIONAL INSTRUMENTSTM，简称NI提出其著名的口号：The Software is the Instrument（软件就是仪器）。所以通常也把用包括G语言(graphical language)在内的高级语言编制的可视化测控系统程序称为虚拟仪器virtualinstruments，简称VI。虚拟仪器的分类方法可。有很多种，但随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器大体分为以下五种类型。第一类：PC总线插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插人计算机内的板卡（数据采集卡、图像采集等）与专用的软件，如LabVIEWTM、LabWindowsTM/CVI或通用编程工具VisualC和Visual Basic等相结合，可以充分地利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是该类虚拟仪器受普通PC机机箱结构和总线类型限制，并且存在电源功率不足，还有机箱内部的噪声电平较高，插槽数目较少，插槽尺寸小，机箱内无屏蔽等缺点。该类虚拟仪器曾有ISA总线和PCI总线两大品种，但目前ISA总线的虚拟仪器已经基本淘汰，而PCI总线的虚拟仪器广为应用，只是价格比较昂贵。第二类：GPIB总线方式的虚拟仪器。GPIB也称HPIB或IEEE488总线，最初是由HP公司开发的仪器总线。该类虚拟仪器可以说是虚拟仪器早期的发展阶段，它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台带有GPIB接口的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可连接多达14台仪器，电缆长度可达40 m。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式；可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。第三类：并行口式虚拟仪器。最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，把仪器硬件集成在一个数据采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量、测试仪器的功能，如可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪和数据采集器。美国LINK公司的DSO一2XXX系列虚拟仪器，其最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业；又可与台式计算机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。第四类PXI总线方式虚拟仪器。 PXI总线方式是在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的，包括多板同步触发总线的技术，增加了用于相邻模块的高速通信的局域总线。PXI具有高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。对于多机箱系统，现在则可利用MXI接口进行连接，将PCI总线扩展到200 m远。而台式机PCI系统只有3-4个扩展槽。把台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。第五类：VXI总线方式虚拟仪器。VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展。它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的R