基于Cortex M0+的超低功耗多路高精度數(shù)字頻率測量儀的設(shè)計

王靜 鄭暉暉

摘 要：該文設(shè)計的頻率測量儀選用通用的集成前端處理電路，從超低功耗高精度著手，其核心控制模塊為當(dāng)前最新推出的微功耗ARM Cortex M0+處理器，主要是利用其多路高速定時器/計數(shù)器功能完成在單位時間內(nèi)頻率的計算工作，并利用信號整形和放大電路完成對待測信號的處理。測量得到的值，采用動態(tài)顯示的方式通過LED顯示器顯示出來。

關(guān)鍵詞：高精度 微功耗 頻率測量儀 ARM Cortex M0+

中圖分類號：TN 915.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（c）-0055-02

隨著科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，頻率的測量顯得越來越重要，測量頻率的方法也日趨多樣，在測量性能提升的同時，設(shè)計的成本與復(fù)雜度也不斷提高。而頻率測量儀器功能也從單一的頻率測量，變得更豐富。

該文所設(shè)計的頻率測量儀選用通用的集成前端處理電路，從超低功耗高精度著手，其核心控制模塊為當(dāng)前最新推出的微功耗ARM Cortex M0+處理器，主要是利用其多路高速定時器/計數(shù)器功能完成在單位時間內(nèi)頻率的計算工作，并利用信號整形和放大電路完成對待測信號的處理。測量得到的值，采用動態(tài)顯示的方式通過LED顯示器顯示出來。

1 基于Cortex M0+的功能模塊電路設(shè)計

Cortex M0+控制模塊、LED數(shù)碼管顯示器模塊、信號發(fā)生與調(diào)理模塊、計數(shù)模塊、電源模塊等構(gòu)成了數(shù)字顯示的頻率測量儀。

高精度頻率測量儀，需要自制信號源，并能夠正常輸出正弦波、方波、三角波，故選用精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038。

該設(shè)計使用LED顯示電路，頻率計數(shù)顯示要精確到小數(shù)點后面2位，因此需要有4個LED顯示器，又綜合考慮CPU的處理速度和電源的使用效率等其它因素，該設(shè)計的頻率測量儀采用動態(tài)顯示方式，該設(shè)計的計數(shù)電路由74LS290構(gòu)成。

信號的放大、整形電路是將其他信號如正弦波、三角波信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，這個功能是靠施密特觸發(fā)器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成的。

該電路使用集成芯片LTC3638、CN302實現(xiàn)電源充放電的管理，對鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池的飽和電壓為4.2 V。通過設(shè)置LTC3638的外圍電路將LTC3638的輸出電壓設(shè)置為4.2 V。

2 基于UC/OS II的嵌入式軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計規(guī)劃

2.1.1系統(tǒng)移植

該設(shè)計將在MCU中移植UC/OS II（Micro Control Operation System Two），進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)實時2路頻率的測量、顯示。

2.1.2信號處理

頻率計開始工作以及頻率測量的過程，需要對程序進(jìn)行初始化操作。除了包含中斷控制初始化和定時器/計數(shù)器控制模式初始化過程外，還包括初始化堆棧指針（SP）和通用工作寄存器。

2.1.3中斷控制

中斷控制是當(dāng)CPU執(zhí)行相應(yīng)的程序，Cortex M0+接收到中斷源的中斷響應(yīng)信號，使Cortex M0+停止當(dāng)前任務(wù)，執(zhí)行能夠引起響應(yīng)的中斷服務(wù)程序，當(dāng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，回到剛才暫停程序的位置，繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)的程序。

2.2 系統(tǒng)資源

Cortex M0+處理器采用了三級流水線的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)（Von Neumann architecture）。它是基于一個32位處理器的內(nèi)核，特點是集成度高、而且功耗非常低。

2.3 系統(tǒng)移植

2.3.1 Cortex M0+的啟動代碼

啟動代碼包括：初始化堆棧，初始化異常向量表，定義異常入口函數(shù)及復(fù)位異常響應(yīng)代碼。

2.3.2 Systick啟動

在移植系統(tǒng)之前，我們需要先啟動Systick異常，啟動的目的是為系統(tǒng)提供一個可以使系統(tǒng)能夠處理延時或者超時等與時間有關(guān)的事件的周期性的信號源。

（1）Systick使能與優(yōu)先級分配。

在內(nèi)核啟動之后，可進(jìn)行Systick異常的使能和優(yōu)先級分配。

（2）Systick異常處理函數(shù)。

Systick異常處理函數(shù)每次響應(yīng)時都調(diào)用了OSTimeTick。OSTimeTick做了兩件事情：一是給OSTime加1，二是將等待任務(wù)的剩余時間值減1，并將等待時間為0的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，運行其最高優(yōu)先級任務(wù)。

2.3.3 OS初始化和啟動

在OS啟動時，需要根據(jù)內(nèi)核的不同進(jìn)行任務(wù)堆棧的初始化，多任務(wù)的啟動。

（1）任務(wù)堆棧初始化。

（2）多任務(wù)的啟動。

（3）MSP與PSP切換。

2.3.4 任務(wù)切換

（1）任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw。

任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw作用就是保存被中止運行任務(wù)的斷點和恢復(fù)待運行任務(wù)的斷點并啟動它。因此這個函數(shù)中主要是一系列的壓棧和出棧操作。

（2）中斷任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw。

OS在完成中斷服務(wù)程序后，并不一定回到被中斷的任務(wù)，而是進(jìn)行一次中斷調(diào)度來決定是返回被中斷任務(wù)還是調(diào)用一個更高優(yōu)先級任務(wù)。而此刻函數(shù)OSIntCtxSw是用來完成任務(wù)切換工作。該函數(shù)一般用在中斷服務(wù)程序的末尾，它的作用是用來保護(hù)被中止運行程序的斷點，如果已經(jīng)在中斷服務(wù)程序的前段完成了此工作的話，那么它的工作只是恢復(fù)待運行任務(wù)的斷點。

2.4 多中斷處理

（1）優(yōu)先級定義。

（2）中斷編號定義與中斷使能。

（3）優(yōu)先級分配。

（4）多中斷響應(yīng)程序編寫。

（5）多中斷響應(yīng)問題小結(jié)。

①中斷響應(yīng)啟動HardFault_Handler異常。

②中斷嵌套后并未返回運行系統(tǒng)。

2.5 應(yīng)用層總體設(shè)計

本設(shè)計其主程序流程圖如圖1所示。

2.6 部分關(guān)鍵子程序算法

2.6.1 中斷檢測

可采用同步法測量。

2.6.2 數(shù)碼轉(zhuǎn)化

因為Cortex M0+測量頻率的結(jié)果是以10進(jìn)制的形式顯示出來的，但是測量的數(shù)據(jù)是以2進(jìn)制的形式計算，并以16進(jìn)制的形式存儲在RAM里的，所以在顯示之前還需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.6.3 數(shù)碼顯示

顯示程序分為7種模式，分別對應(yīng)6組不同數(shù)據(jù)范圍的高位或低位消隱，以及一種錯誤模式顯示。display00子函數(shù)為小數(shù)點后兩位顯示程序，當(dāng)測量數(shù)據(jù)小于1 000時，對小數(shù)顯示程序進(jìn)行調(diào)用，使測量結(jié)果顯示兩位小數(shù)。

為了確保系統(tǒng)能工作正常，就要對電路重要部分仿真，即我們把波形整形電路、分頻電路進(jìn)行了仿真，Proteus軟件是非常好的Cortex M0+的仿真軟件。我們采用安捷倫33 500B任意波形發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)信號輸入，進(jìn)行系統(tǒng)測量精度的測試，最后我們還要進(jìn)行誤差分析、系統(tǒng)噪聲控制、系統(tǒng)功耗分析。

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