基于LPC2103的数显频率计方案设计

基于LPC2103的数显频率计方案设计

摘要：频率检测是电子测量领域的最基本的测量之一。频率信号抗干扰能力强、适合远距离传输、可以获得较高的测量精度，而数字化频率测量方法因其精度高、抗干扰能力强、算法灵活等优点，越来越受到重视。，本系统还将ARM7开发平台、LPC2103芯片和AD9833芯片组合起来，形成一个完整的系统，以得到更高精度的数显频率计。论文详细给出了本次课题数显频率计的硬件系统和软件系统的设计方案及设计步骤，然后又对实验结果进行了分析。结果证明，本次设计达到了预期的目标。最后又针对一些问题提出了改进的建议。

关键词：LPC2103；数显频率计；数字化

Abstract: Frequency detection is one of the most basic measurements in the field of electronic measurement. The frequency signal has strong anti-interference ability, is suitable for long-distance transmission, and can obtain high measurement accuracy. Digital frequency measurement method has been paid more and more attention because of its high precision, strong anti-interference ability, flexible algorithm and other advantages. The system also combines ARM7 development platform, LPC2103 chip and AD9833 chip to form a complete system, in order to get higher precision digital display frequency meter. In this paper, the hardware system and software system of digital display frequency meter design scheme and design steps are given in detail, and then the experimental results are analyzed. The result proves that the design has achieved the expected goal. Finally, some suggestions for improvement are put forward.

Key words: LPC2103; Digital display frequency meter; digital

1引言

科学技术的进步同测量技术的发展是相辅相成，密切相关的。测量技术已渗透到工业，农业，国防，科学研究以及人类生活的各个领域，其应用的广泛性和重要性已越来越为人们所认识。与其他测量相比，电子测量具有频率范围宽，量程范围广，测量准确度高，测量速度快，易于实现遥测和测量过程的自动化并易于实现仪器小型化等特点。本课题研究的是电信号特性中频率特性的数字化测量。

在电子系统广泛应用的今天，到处可以见到处理离散信息的数字电路。大到先进的工业控制系统，空间通讯系统，交通控制雷达系统，医院急救系统等，小到家庭生活中随处可见的微波炉，电视机，电冰箱等的设计过程中，无一不用到数字技术。数字电路促进工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高了系统可靠性，也使速度得到了很大的提升。

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，是描述周期现象的一个重要方面，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得尤为重要。随着现代科学技术的发展，对于频率测量的准确度要求越来越高。由于数字电路的飞速发展使得对频率进行高精度的数字测量成为可能。

数字数显频率计是数字信号处理中的一个典型应用。本设计模数转换部分由LPC2103的A／D转换器实现。LPC2103的ADC是l0位逐次逼近式模数转换器，支持掉电模式，功耗小。通过设定ADC的控制寄存器，可以控制ADC转换的输出位数和输出参数等。设计中采用的是在频域方面实现周期信号的频率测量。广义的说，信号的频谱是指组成信号的全部频率分量的总集。周期信号的频谱有几个特点：(1)频谱是离散的，由无穷多个冲击函数组成；(2)谱线只在基波频率的整数倍上出现，即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相位信息；(3)各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而逐渐减少

本设计采用设定LPC2103的ADC部分的控制寄存器控制ADC转换；最后将模数转换后所得的序列预处理后分别进行全相位傅里叶变换和传统的傅里叶变换转换到频域，并进行频率的校正，在频域观察结果。其中，每一步不仅要通过软件模拟，也要通过示波器来分别观察产生的波形、时序和采样间隔等等。最终将整个程序下载到硬件上调试运行。完成的设计功耗低，速度快，并能实现高精度的频率测量。在对低频信号进行测量的时候，有较如人意的结果。另外经过改造，也可实现高频信号的频率测量以及周期、电压与时间的测量等。

2硬件系统设计

总体设计方框图如图

本设计采用的是嵌入式系统的最小结构，其中处理器采用LPC2103。LPC2103具有非常小的尺寸和极低的功耗，因此非常适合于将小型化作为主要要求的应用。利用其ADC部分实现本设计中A／D转换功能。另外在此ARM7板上额外加上一片AD9833用来产生模拟信号。在最后外接一个串口，通过串口调试助手以方便调试程序查看实验结果。

2.1 LPC2103概述

LPC2103基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI．SCPU，并带有8kB和32kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接121和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。这可以使得中断服务程序和DSP算法中重要功能的性能较Thumb模式提高30％。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。由于LPC2103非常小的尺寸和极低的功耗，它非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，多个UART、SPI到SSP和2个12C总线组成的混合串行通信接口和片内2kB／4kB／8kB的SRAM一起作用，可使得LPC2103非常适合用来实现通信网关和协议转换器，数学协处理器以及足够大空间的缓冲区的强大处理功能。而多个32位和16位的定时器、一个经改良后的10位ADC、PWM特性(通过所有定时器上的一个输出匹配来实现)和32个快速GPl0(含有多达9个边沿或电平有效的外部中断管脚)使它们特别适用于工业控制和医疗系统。

LPC2103有如下特点：

（1）16-bit/32-bitARM7TDMI-S微控制器在一个小LQFP48包装。

（2）8kB的片内静态RAM和32kB片上闪存程序内存。128-bit宽度接口/加速器可实现高速70MHz操作。

（3）ISP/IAP通过片内引导程序软件。单个Flash扇区或整片擦除100ms和256字节编程1ms。

（4）嵌入式ICERT提供实时与片内RealM0nit0r软件调试。

（5）该10-bit的A/D转换器提供8个模拟输入转换时间，低至2。44&micr0;s。每通道和专用的结果寄存器，以尽量减少中断开销。

（6）Tw032-bit定时器/联合七捕获外部事件计数器和七比较通道。

（7）Tw016-bit定时器/3路捕获外部事件计数器和七比较通道。

（8）低功耗实时时钟(RTC)具有独立的电源和专用32千赫时钟输入。

（9）多个串行接口，包括两个UART(16C550)，两个快速I2C(400kbit/s)与缓冲和可变数据长度功能，SPI和SSP

（10）向量中断控制器，c0nfigurable优先级和向量地址。

（11）最多至32个5V宽容快速通用I/0的pins。

（12）13边沿或电平触发的外部中断pins可用。

（13）70MHz最大CPU时钟从可编程片上PLL可以以到10的MHz25MHz可能的输入频率和100&micr0;s建立时间

（14）片内集成振荡器与经营范围中的一个外部晶体从1MHz到25MHz。

（15）节电模式包括空闲模式，掉电与RTC主动模式，并掉电模式。

（16）单独使能/禁止外围功能以及周边时钟缩放额外的功率优化。

（17）处理器唤醒掉电模式，通过外部中断或RTC

LPC2103的ADC部分特性为：

·10位，8路逐步逼近式的模数转换器；

·测量范围：0V一3．3V；

·各个转换器每秒能处理400，000个以上的10位采样值：

·单输入或多输入的突发转换模式；

·可选择在输入脚跳变或定时器匹配信号出现时执行转换：

·每个模拟输入都有一个专用的结果寄存器，这样可以减少中断开销。

2.2 A／D转换的实现

(1)分辨率和精度

A／D转化器的精度决定了实际数字输出量与特定模拟输入条件下数字输出理论期望值之间的接近程度。A／D转换电路中与每个数字量对应的模拟输入量并非是一个单一的数值，而是一个范围值△，其中△的大小理论上取决于电路的分辨率。定义△为数字量的最小有效位LSB。但在外界环境的影响下，与每一数字输出量对应的输入量实际范围往往偏离理论值△。

(2)转换时间和转换速率

转换时间是描述ADC转换速度的动态参数，是指完成一次A／D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。指的是A／D转换器的转换速度，用每秒多少次来表示。

(3)采集时间

逐次逼近型A／D转换器在其模拟输入端设置有～个采样保持电路。在内部，该采样保持电路由充电保持电容来实现，此电容在A／D转换启动之前与模拟输入引脚断开。必须提供足够的时间来使电容充电至终值，否则会给转换带来误差。必须保证采集时间是保持电容值、信号源阻抗和与输入电路有关的内部阻抗的函数。

3软件系统设计

3.1 LPC2103与AD9833的连接

在本设计中，利用LPC2103的GPI0口来模拟AD9833的时序。即某管脚选通为GPI0口后，置1则对应高电平，置0则对应低电平。通过延时程序控制1或0的延时时间，这样就可以模拟出AD9833的时序。引脚连接模块可以实现独立的引脚配置，使所选管脚具有1个以上的功能。配置寄存器控制多路开关来连接引脚与片内外设。外设在激活和任何相关中断使能之前必须连接到适当的引脚。任何使能的外设功能如果没有映射到相关的引脚，则被认为是无效的。

当管脚只选择一个功能时，其它功能无效。

上述规则唯一的例外是管脚用作A／D转换器输入时。不论管脚选择何种功能，它都仍可用作A／D输入，A／D输入可随时被读取，管脚的电压变化都从A／D第五章软件系统设计的读取值中反应出来。但是，只有选择模拟输入功能，才能读出有效的模拟值。也只有这种情况下，管脚和A／D模块之间的接口电路才有效。其它情况下，执行数字功能所必需的数字逻辑部分将有效，从而影响A／D转换器的正确操作。

只有当管脚选择GPI0功能时，100DIR寄存器的方向控制位才有效。其它功能的方向是自动控制的。在此设计中，将p0．23设定为ADC功能，其余管脚皆设为GPI0功能。

3.2 LPC中ADC模块设计程序

参照LPC数据手册的寄存器相关数据，在KeilC环境下进行编程。其中，设置ADC模块的程序如下，包括通道选择、时钟设置、转换方式设置、输出位数设定、工作模式设定和ADC启动方式设定等。ADCR为寄存器名称，A／D转换前，必须将数据写入ADCR寄存器来选择工作模式。

4实验结果分析

其中关键的地方是如何设定采样频率。分别测出延时程序DelayNS(1)和ADC转换一次所需的时间。在这里所采用的方法分别是：(1)对于DelayNS，设定一个循环程序，在执行前将P0．20管脚设置为“0”，在执行完DelayNS后将其设定为“l”，这样通过示波器观察高低电平之间的时间间隔就可以知道DelayNS(1)的延迟时间；(2)对于ADC的转换时间，想法是类似的，在ADC转换前设定P0．20置低，在ADC转换结束后置高。由于程序中设定的循环执行ADC，所以同样可以在示波器上观察到高低电平相间的波形，可测得执行一次循环所需的时间。在这里因为考虑到执行指令本身需要时间，所以采样频率的计算不能只是简单的将晶振频率除以定时器的值和比较值(即两次分频值)。经测得执行一次ADC转换所需的时间为99．2us，即采样频率为10．08KHz，一般来说，信号的采样频率采用信号频率的3~4倍左右，这样就意味着此数显频率计所能测量的信号频率范围大约为0Hz到4KHz。在测试中首先设定测量频率为2KHz，在KeiluVisi0n3环境下编译运行AD9833部分程序和ADC模块设置程序，观察采样后的结果，将数组中的数(即经ADC转换后的数)取一部分在坐标纸中取点并连线，发现这些离散的点经光滑的连线后仍然能组成一个正弦波，这就意味着由AD9833产生的正弦信号经由LPC2103的ADC模块部分转换成数字信息成功。

通过ADC来实现采样并进行模数转换，这个采样时间虽然是经过反复实验取得的数值，但是由于外界环境的变化，数值也会随着改变，即这个采样时间也就是在无延迟下的采样频率有一定的误差。

5总结

随着科学技术的发展，测量技术也正发生着日新月异的变化。频率是重要的电参量之一，与时间有关，且关系着信号的周期等方面。传统的测量频率的方法多采用门控和电子计数器的原理，但是这样的测量方法在信号频率变化范围比较大时其测量性能急剧下降，主要体现在误差增大上。因此，寻找一种测量速度快，测量精度高的测频方法为当务之急。随着数字电路和嵌入式的广泛应用，用软件来实现测量过程，不仅能提高速度，减小由于硬件连接所产生的误差，还能通过软件设置和选择所需芯片来提高测量精度。本文对全相位离散数字信号的频谱分析及其校正做了进一步的研究工作，将全相位应用于数显频率计的设计中，得到一更高精度的数显频率计，使得LPC2103技术得到更进一步的应用。．

数字化实现频率测量具有广泛的应用前景，但作为一个新兴的课题，仍有大量应用课题需要研究，也有很多领域等待创新应用。对于本设计，有以下几点展望：

(1)设计中采用的是LPC2103芯片，此芯片适应的晶振最高为25MHz。为了获得更广的测量范围可以考虑寻找一种更好品质的处理器。这样能够提高频率测量的量程。另外还有一种测量高频的方法，由于apFFT谱分析保留了传统FFT的相移性质，我们可以用一个接近被测信号频率的信号与其相乘，将被测信号的频率移到一个较小的频率值上，然后进行测频，最后经过计算得出所测频率。

(2)在实际应用中可以外接液晶显示屏用来显示测量结果，这样结合前面所提到的测量外接信号的想法，就可以设计成一个数字数显频率计的实体。此数显频率计不仅速度快，而且误差小。采用嵌入式的方法使其体积小，携带方便。在本设计中并没有实现以上构想，这些有待在今后的设计学习中不断的改进和完善。

参考文献

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