一種基于MSP430F149單片機(jī)的頻率測量模塊設(shè)計(jì)

雷 宇，任文靜，焦新程

(中國石油集團(tuán)東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

通常石油儀器中的頻率，指的是單位時(shí)間內(nèi)電信號周期變化的次數(shù)。由于頻率信號具有抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸、測量準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此在石油儀器領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。頻率信號的測量一般通過FFT數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)，這種方法能保障測量精度，但軟件算法復(fù)雜，硬件電路需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能對頻率進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)成本高。本文利用MSP430F149單片機(jī)的捕獲比較寄存器實(shí)現(xiàn)對頻率的測量，無需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,有效降低硬件成本，減少程序復(fù)雜性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了有利于對小信號的測量，本文中使用了濾波放大電路，能有效的提高抗干擾能力及對小信號的識別能力。

1 設(shè)計(jì)原理與思路

1.1 設(shè)計(jì)原理

我們已經(jīng)知道了頻率即是單位時(shí)間內(nèi)信號周期變化的次數(shù)，該測頻模塊的設(shè)計(jì)原理則是通過測量電路內(nèi)一個(gè)脈沖信號的周期，然后對其求倒數(shù)，得出其頻率。由于MSP430系列單片機(jī)定時(shí)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，適用于工業(yè)控制，如數(shù)字化電機(jī)控制，電表和手持儀表的理想配置。它給開發(fā)人員提供了較多靈活的選擇余地。MSP430系列單片機(jī)，采用16位的定時(shí)器，加上內(nèi)部的比較器，至少能達(dá)到10位的A/D測量精度。本設(shè)計(jì)主要是采用定時(shí)器的捕獲/比較模式，主要是用于捕獲事件發(fā)生的時(shí)間或者是產(chǎn)生的時(shí)間間隔，該功能的引入主要是為了提高I/O端口處理事務(wù)的能力與速度。

1.2 設(shè)計(jì)思路

在捕獲模式中，當(dāng)滿足捕獲條件時(shí)，硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)器TAR的值寫入CCRx寄存器中。如測量某脈沖(高電平)的脈沖長度，可定義為上升沿和下降沿都捕獲，在上升沿時(shí)，捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)在捕獲寄存器中讀出，在等到下降沿到來時(shí)，在下降沿又捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù)，那么兩次捕獲的定時(shí)器數(shù)據(jù)差就是脈沖的高電平時(shí)間。同理若要測量脈沖的周期，一個(gè)脈沖的周期包括高電平與低電平，若要從高電平開始捕獲，可定義為兩次上升沿捕獲，兩次捕獲的定時(shí)器數(shù)據(jù)差即為該脈沖的周期通過倒數(shù)可以求出該頻率(若是從低電平開始捕獲則定義為兩次下降沿捕獲)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)

若輸入信號較小，不滿足單片機(jī)采集要求，需要對信號進(jìn)行放大處理，同時(shí)為了減小系統(tǒng)的噪音水平，提高抗干擾能力，需要進(jìn)行濾波處理，本文提供了作者針對30 kHz～50 kHz的信號進(jìn)行采集處理的方案，以供參考。

本設(shè)計(jì)采用有源帶通濾波器，該濾波器輸入阻抗高，輸出阻抗低，具有良好的隔離性能，因此各級之間不需要進(jìn)行阻抗匹配。在濾波電路中使用軌對軌運(yùn)放正負(fù)電壓供電，實(shí)現(xiàn)信號的濾波放大，該電路具有失真小，動(dòng)態(tài)范圍大特性。

由于單片機(jī)使用3.3 V供電電壓，采集信號范圍為0～3.3V，因此需要對放大后的信號進(jìn)行處理，滿足單片機(jī)采集要求。信號處理使用3.3 V供電的門電路。

總體設(shè)計(jì)框圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2.1.1 有源帶通濾波器設(shè)計(jì)

使用運(yùn)算放大器OPA1611來實(shí)現(xiàn)濾波放大電路，電路如圖2所示。

圖2 濾波放大電路圖

電路性能參數(shù)：

(1)

(2)

(3)

使用PSPICE軟件對濾波電路頻域進(jìn)行仿真，連接硬件電路，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 電路仿真圖

具體參數(shù)見表1。

表1 仿真結(jié)果參數(shù)

2.1.2 信號整形設(shè)計(jì)

由于運(yùn)放使用+3.3V電壓供電，因此輸出信號最大峰-峰值為6.6 Vpp，單片機(jī)的供電范圍為0～3.3 V，因此，可以使用兩輸入與非門，實(shí)現(xiàn)輸出0～3.3 V的方波信號。電路圖如圖4所示。

輸入35 kHz的頻率信號，經(jīng)過濾波后輸出波形如圖5所示。

圖4 最終電路圖

圖5 濾波輸入圖形

經(jīng)過兩輸入與非門后輸出波形如圖6所示。

圖6 最終輸出波形

從上圖可以看出，輸出波形滿足單片機(jī)要求，即可對該頻率進(jìn)行檢測。

2.2 C語言實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器Timer A的捕獲比較模塊1即為P1.2端口的第二功能。采用系統(tǒng)外部高速時(shí)鐘，在此處系統(tǒng)外部時(shí)鐘越高，則測量精度相對來說越高。采用連續(xù)計(jì)數(shù)模式，Timer A中計(jì)數(shù)模式共分為4種分別是停止模式：該模式用于定時(shí)器暫停，并不發(fā)生復(fù)位，所有寄存器現(xiàn)行的內(nèi)容在停止模式結(jié)束后都可用，當(dāng)定時(shí)器暫停后重新計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器將從暫停時(shí)的值開始以暫停前的計(jì)數(shù)方向計(jì)數(shù)；第二種是增計(jì)數(shù)模式，該模式適用于小于65 536的連續(xù)計(jì)數(shù)情況。計(jì)數(shù)器TAR可以增計(jì)數(shù)到CCRx的值，當(dāng)計(jì)數(shù)值與CCRx的值相等(或大于CCRx的值)時(shí)，定時(shí)器復(fù)位并從0重新開始計(jì)數(shù)。第三種為連續(xù)計(jì)數(shù)模式，在需要65 536個(gè)時(shí)鐘周期的定時(shí)應(yīng)用場合常采用此模式。定時(shí)器從當(dāng)前計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)到65 536后，又從0重新開始計(jì)數(shù)。第四種為增/減計(jì)數(shù)模式，在生成對稱波形的情況下可以采用此模式，該模式下，定時(shí)器先增計(jì)數(shù)到CCR0的值，然后反向計(jì)數(shù)到0。

為了測量頻率為30 kHz以上的信號的周期，需要使用連續(xù)計(jì)數(shù)模式，采用兩次上升沿同步捕獲。

經(jīng)過整形后的方波信號，連接MSP430F149的P1.2端口，首先對P1.2端口進(jìn)行初始化，程序如下所示：

P1SEL |= BIT2;

//P1.2選擇第二功能

P1DIR &= ～BIT2;

//P1.2選擇為輸入口

TACTL = TASSEL_2 + MC_2+ID_0+TAIE;

//定時(shí)器使用主時(shí)鐘、連續(xù)計(jì)數(shù)模式

TACCTL1 |= CAP+CM_1 + SCS + CCIS_0+ CCIE;

//選擇捕獲模式、使用上升沿同步捕獲

當(dāng)檢測到輸入信號上升沿時(shí)，會(huì)進(jìn)入捕獲中斷程序，如下所示：

#pragma vector=TIMERA1_VECTOR

//捕獲中斷子程序

__interrupt void TimerA1(void)

{

switch(TAIV)

//判斷中斷向量寄存器

{

case 2://比較/捕獲模塊1中斷

x++;

if(x==1)old_cap=TACCR1;

//第一次上升沿捕獲計(jì)數(shù)值

if(x==2)

{

period=TACCR1+65536*TA_ov_num-old_cap;

//計(jì)算脈沖周期

TA_ov_num=0;

x=0;

}

break;

case 4:break;

//比較/捕獲模塊2中斷未使用

case 10:TA_ov_num++;

//是否溢出

break;

}

程序中old_cap表示第一次上升沿捕獲的值，TACCR1為第二次上升沿捕獲的值，當(dāng)計(jì)數(shù)值到65 536時(shí)從0開始重新計(jì)數(shù)即為溢出，溢出后TA_ov_num加1，否則為0，period為當(dāng)前計(jì)算出的脈沖周期。

使用信號源輸出峰峰值為3.3Vpp的方波信號，單片機(jī)外接8MHz高速晶振作為主時(shí)鐘，使用該程序?qū)︻l率進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)頻率測量結(jié)果

從上表可以看出，使用該程序測試，最大誤差為0.5%。

3 結(jié) 論

從上述可以看出，本設(shè)計(jì)能對頻率信號進(jìn)行精確測量，最大測試誤差為0.5%。這種基于MSP430F149單片機(jī)的頻率測量模塊，體積小巧，設(shè)計(jì)成本不高，可集成到各種對測量頻率信號有需求電子儀器當(dāng)中。