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发表于 2019-1-25 15:36:34
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摘 要
本系统以STM32F103C8T6和FPGA-EP2C5为主控制器，采用AD8099芯片TLV3501产生稳定的方波，并输入FPGA， 使用MCU产生控制信号。本系统包括信号调理模块，FPGA模块，MCU模块，液晶显示模块。FPGA进行数据采集并送回MCU进行数据处理，实现精确测量频率，周期，占空比，时间差。设置功能模式选择，实现精确测量并显示。在满足题目基本要求的前提下，发挥部分也全部实现。实际测试表明，所采用的设计方案科学有效，可完全达到基本要求并充分完成发挥部分。
关键词：FPGA MCU 信号调理 精确测量
1. 系统方案
本系统主要由信号调理模块、数字电路芯片模块、MCU模块、显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1宽带放大模块的论证与选择
方案一：采用AD811芯片
使用AD811芯片设计出的宽带放大电路毛刺太大，且不满足频率要求。
方案二：采用AD8099芯片
使用AD8099芯片设计出的宽带电路放大倍数可达10倍，对于正弦波可满足1HZ~120MHZ，有效值8mV的信号放大；对于方波可满足1HZ~40MHZ，最小有效值40mV的信号放大，超额完成系统设计要求。
综合考虑，选择使用AD8099芯片搭建宽带放大模块。
1.2整形模块的论证与选择
按照设计要求，输入信号带宽为100MHz，最高频率可达100MHz,因此必须使用高速运算放大器对信号进行整形，所选芯片为TI公司的TLV3501，TLV3501是4.5ns 轨至轨高速比较器，可以满足高速处理的要求，基于这一点有以下方案：
方案一：单门限比较器
运放的负输入端接地，比较电压为0V，用以将输入的正弦波整形为同频率方波，但在实测过程中发现对于高频信号，输出波形不理想，纹波较大且波形不稳定，后级无法处理这些波形。
方案二：迟滞比较器
通过分析方案一，由于输入的波形并不会是严格的正弦波，再过零处会存在一些毛刺，单纯的使用过零比较器会使芯片误动作。
方案三：两种比较器结合
为了提高其容错能力，考虑在在方案一的基础上加入一个小的迟滞电压提高其抗噪声能力。
综合以上三种方案，选择方案三。建议过零比较加入一个小的迟滞电压，这样在实际应用的时候抗噪声能力强一些。如果用于计数的话会更加的准确。
1.3 数字电路芯片
方案一：使用DSP实现功能
DSP芯片，也称数字信号处理器，为串行处理，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
方案二：使用FPGA实现功能
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，为并行处理，结构主要分为三部分:可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型:即查找表类型和多路开关型。允许无限次编程。
结合实际情况经过比较，FPGA时序控制能力强，且为并行处理方式，效率高，可以满足要求。故采用FPGA-EP2C5。
1.4 MCU
方案一：使用MSP430实现功能
由MSP430F149 单片机作为上位机，MSP430F149编程较为简单，功耗低，速度偏低，不可以很好地满足本设计对数据处理的要求。
方案二：使用STM32实现功能
由STM32F103C8T6作为上位机，STM32F103C8T6编程较为复杂，速度适中，还拥有PWM发生器，可以产生较为精准的方波信号，可以较好地满足本设计对数据处理的要求。
基于上述考虑，为了提高系统的精度，我们采用方案二。
1.5 显示模块
方案一：使用LCD12864实现功能
采用12864LCD液晶显示模块，12864液晶显示其分辨率是128X64,内置8192个16X16点汉字和128个16X8点ASCII字符集，利用该模块可以简单显示。
方案二：使用OLED实现功能
采用0.96寸OLED作为显示模块，该模块显示面积较小，对于多位精准显示的程序调试过程较麻烦。
为满足题目要求并使得调试过程较为简便，本系统采用第一种方案。
2. 系统理论分析与计算
2.1 等精度测量
2.1.1 工作原理
采用频率准确的高频信号作为标准频率信号，保证测量的闸门时间为被测时间的整数倍，并在闸门时间内同时对标准信号脉冲和被测信号脉冲进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等，当标准信号频率很高，闸门时间也足够长时，就可实现高精度的频率测量。即为：测量一定闸门时间内标准信号与被测信号的脉冲个数，分别记为和,则被测信号频率为 : 。
2.1.2 等精度测量的计算
（1）被测频率
为被测信号频率； 为标准信号频率；为被测信号一个闸门时间内的脉冲个数；为标准信号一个闸门时间内的脉冲个数。
（2）测量误差
考虑最大误差为1，则
2.2 测量原理
2.2.1 测频过程分析
在测频开始之前，先由STM32向FPGA发送清零信号，清除有关寄存器的值。然后由STM32向FPGA送门控信号，在门控信号内开始对被测信号和标准频率进行计数。当计数结束时，FPGA向STM32发送计数结束信号，由该信号STM32开始选择存储计数值的寄存器，开启读数使能信号并从FPGA读入计数值。读完后关闭读数使能端，再由STM32处理数据并在LCD上显示。然后又循环开始执行。
2.2.2测时间差过程分析
在测时间差之前同样需要先由STM32向FPGA发送清零信号，清除有关寄存器的值。然后一路被测信号通过测频模块，先测出周期，如果频率小于10K，则可以直接测量时间差。先将两路信号进行异或得到一路新的信号。然后一路进过一个非门，和原信号同时测量两路的高电平时的计数值，存入两个计数器中。计数结束后，FPGA向STM32发送结束信号，在由STM32向FPGA发送寄存器选择信号，再送读数时钟，读取两个计数值。读完后，比较两个计数值的大小，通过用周期减去较大的计数值即可得到时间差。如果频率大于10K，则先通过1000分频，得到低频信号，在通过测低频的方法来测量。一次测量结束后循环。
2.2.3 测量占空比过程分析
在测占空比之前同样需要先由STM32向FPGA发送清零信号，清除有关寄存器的值。然后被测信号通过测频模块，先测出周期，如果频率小于10K，则可以直接测量占空比。被测信号一路通过非门，和原信号同时测量两路的高电平时的计数值，存入两个计数器中。计数结束后，FPGA向STM32发送结束信号，在由STM32向FPGA发送寄存器选择信号，再送读数时钟，读取两个计数值。读完后，STM32比较两个数的大小，由较大的一个数来计算占空比。最后在LCD上显示。一次完成后循环，实现实时刷新。
3. 电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
3.1.2 电路原理图
3.1.3电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供正负5V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现菜单功能选择和测量数据的显示。
1）键盘实现功能：选择菜单功能。
2）显示部分：根据所选择的功能在LCD12864上显示频率，周期，占空比和时间间隔等信息。
3）测量部分：测量频率为1HZ~100MHZ，最小有效值为10mv正弦波的频率和周期，相对误差的绝对值不大于0.01% ；测量频率为100HZ~100MHZ，最小有效值为50mv方波的时间间隔，相对误差的绝对值不大于1% ；测量频率为1HZ~5MHZ，最小有效值为50mv方波的占空比，相对误差的绝对值不大于1% 。
3.2.2程序设计思路
使用FPGA对输入信号进行计数并锁存，门控信号为低时产生结束信号并发送至MCU，此时MCU进行通信传递数据（用MCU产生的门控信号，计数脉冲，结束信号等信号来控制FPGA的工作状态 ；FPGA也会产生控制（反馈）信号来给MCU，使MCU产生正确的控制信号）。当数据成功传送至MCU后，使用等精度算法等将FPGA传递的数据进行计算处理，并将处理后的结果显示在LCD12864上。
4. 测试方案与测试结果
4.1测试方案
1）硬件测试
将信号发生器产生的符合题目要求的信号接入信号调理电路，测试频率，有效值，放大倍数等参数，并将输出端接上示波器，观察产生的波形是否稳定。
2）软件仿真测试
使用QUARTUS软件进行仿真，观察时序图；时序图正确后将FPGA与MCU连接，测试两者之间通信和传送数据是否正确。
3）硬件软件联调
将信号调理电路产生的信号接入FPGA，观察MCU处理后并显示的数据是否与输入信号的参数相符合。
4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：120M示波器，高频率信号发生器
4.3 测试结果及分析
4.3.1软件测试结果
| 1HZ~100MH正弦信号频率测量测试结果如下表所示：(最小有效值：10mV) |
| 100HZ~1MH方波信号时间间隔测量测试结果如下表所示：(电压范围：50mV~1V) |
| 1HZ~5MH方波信号占空比测量测试结果如下表所示：(电压范围：50mV~1V) |
4.3.2硬件测试结果
5. 测试分析与结论
根据上述测试数据，在所要求的条件下，数据测量较为精准，由此可以得出以下结论：
1）该系统可以测量频率为1HZ~100MHZ，最小有效值为10mv正弦波的频率和周期，相对误差的绝对值不大于0.01% 。
2）测量频率为100HZ~100MHZ，最小有效值为50mv方波的时间间隔，相对误差的绝对值不大于1% 。
3）测量频率为1HZ~5MHZ，最小有效值为50mv方波的占空比，相对误差的绝对值不大于1% 。
综上所述，本设计达到设计要求。
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