一種帶回顯和校準(zhǔn)功能的多功能動態(tài)測頻儀設(shè)計

摘要：頻率測量在電子工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，為了提升在測量過程中系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測性能、獲取頻率的動態(tài)變化，文章提出了一種帶回顯和校準(zhǔn)功能的多功能動態(tài)測頻儀設(shè)計。該多功能動態(tài)測頻儀具有測頻、測溫、時間顯示等基本功能，用戶通過按鍵實現(xiàn)功能切換和參數(shù)設(shè)置；當(dāng)頻率測量結(jié)果的變化超過設(shè)置范圍時，觸發(fā)AT24C02記錄此頻率結(jié)果以及發(fā)生時間，計算和記錄平均頻率，供用戶翻查；還能通過按鍵調(diào)整校準(zhǔn)值，實現(xiàn)測量結(jié)果的自動校準(zhǔn)和修正。實驗測試結(jié)果表明，該多功能動態(tài)測頻儀能夠準(zhǔn)確檢測頻率測量的動態(tài)變化，測量精度高，參數(shù)穩(wěn)定，可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的動態(tài)心率監(jiān)測、汽車故障動態(tài)信號的診斷監(jiān)測等場合，為病情或故障判斷提供參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：回顯；校準(zhǔn)；動態(tài)；頻率

中圖分類號：TN98" 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

頻率不僅是系統(tǒng)性能評估的關(guān)鍵指標(biāo)，也是系統(tǒng)精確控制和優(yōu)化的基礎(chǔ)。頻率測量^［1］在電子工程領(lǐng)域、物理和生物學(xué)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等都有非常廣泛的應(yīng)用。在汽車故障診斷中，維修人員通過測量傳感器輸出信號的頻率，可以判斷傳感器是否有故障；所測頻率的動態(tài)變化信息還可以輔助維修人員判別故障發(fā)生的時刻和原因。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，心電圖、腦電圖等生理信號的頻率分析對診斷疾病具有重要意義。醫(yī)生在對心臟功能異常的病人進行心率測量時，不僅須要獲知病人實時的心率數(shù)值結(jié)果，還須要獲取心率異常發(fā)生的時間、數(shù)值、次數(shù)等信息，以輔助對病人的病情做出準(zhǔn)確的判斷。為了提升系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測性能、獲取頻率測量的動態(tài)變化信息，本文提出一種帶回顯和校準(zhǔn)功能的多功能動態(tài)測頻儀。

該多功能動態(tài)測頻儀具有頻率測量^［2］、環(huán)境溫度測量、時間顯示等基本功能，通過按鍵實現(xiàn)功能界面切換和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)功能全面。為了提高測量精度和穩(wěn)定性，本設(shè)計設(shè)置了校準(zhǔn)值，實現(xiàn)測量結(jié)果的自動校準(zhǔn)和修正。在測頻過程中，本設(shè)計為了檢測頻率的動態(tài)變化，利用存儲芯片AT24C02動態(tài)記錄平均頻率、最大頻率值及發(fā)生時間，供用戶翻查。當(dāng)測頻結(jié)果超出設(shè)定的界限值時，本設(shè)計的LED發(fā)光報警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該多功能動態(tài)測頻儀的硬件模塊由單片機、獨立按鍵、數(shù)碼管、溫度傳感器、實時時鐘、EEPROM、LED指示燈幾部分構(gòu)成，如圖1所示。本設(shè)計選用增強型IAP15F2K61S2作為系統(tǒng)的主控芯片，選用八位數(shù)碼管實時顯示各種測量信息，包括頻率測量值、當(dāng)前時間、當(dāng)前溫度、設(shè)置校準(zhǔn)值、回顯信息等。本設(shè)計的4個獨立按鍵包括“界面”“選擇”“加”“減”按鍵，用來切換和選擇各種顯示界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加減功能。本設(shè)計的EEPROM選用芯片AT24C02來存儲各種測量結(jié)果，供用戶查詢。本設(shè)計選擇DS1302實時時鐘芯片獲取當(dāng)前時間信息，選擇DS18B20溫度傳感器^［3］實時檢測當(dāng)前環(huán)境溫度信息，LED指示燈用來指示各種測量狀態(tài)及超限報警。

本設(shè)計接通電源后，通過讀取DS1302 RTC芯片獲取時間數(shù)據(jù)，八位數(shù)碼管默認(rèn)顯示當(dāng)前時間。用戶通過控制“界面”按鍵的按鍵次數(shù)，來切換數(shù)碼管的頻率顯示、溫度顯示、時間顯示、參數(shù)設(shè)置、回顯翻查共5個顯示界面?！斑x擇”按鍵在不同的界面模式下有不同的功能，在參數(shù)設(shè)置界面時，用來選擇設(shè)置超限參數(shù)或校準(zhǔn)值；在回顯翻查界面時，用來選擇最大頻率回顯、平均頻率回顯或時間回顯。當(dāng)所測頻率比上次測量結(jié)果變化超出500 Hz時，本設(shè)計觸發(fā)一次記錄功能，記錄此最大頻率值及發(fā)生時間，在回顯翻查時可以查詢到最大頻率、最大頻率的發(fā)生時間、平均頻率等信息。本設(shè)計具有頻率數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能，可以通過獨立按鍵設(shè)置校準(zhǔn)值參數(shù)的范圍，最大取值范圍-900～900 Hz。直接測量到的頻率數(shù)據(jù)加校準(zhǔn)值參數(shù)，作為頻率數(shù)據(jù)的最終結(jié)果。

根據(jù)測量原理，頻率測量分為直接法和間接法2種。直接法又分為計時法和周期計數(shù)法，本設(shè)計采用的是直接法的周期計數(shù)法，直接計算出單位時間內(nèi)所測脈沖信號的周期性次數(shù)。本設(shè)計把所測的脈沖信號和單片機的P3.4引腳相連，單片機的定時器T0工作在定時狀態(tài)，用來定時1 s，T1工作在計數(shù)狀態(tài)^［4］。在T0定時1 s的過程中，同時T1對所測脈沖信號進行計數(shù)。當(dāng)T0定時1 s時間到時，停止定時器T1的計數(shù)，則T1的當(dāng)前計數(shù)值即為測量到的頻率數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)置頻率校準(zhǔn)值參數(shù)，直接測量到的頻率數(shù)據(jù)加上校準(zhǔn)值參數(shù)，即為頻率數(shù)據(jù)的最終結(jié)果。校準(zhǔn)值參數(shù)可以根據(jù)實際需要，通過“加”和“減”鍵進行調(diào)整。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 DS1302

本設(shè)計選用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302^［5］串行實時時鐘高性能芯片，采用SPI三線接口與單片機進行同步串行通信。該芯片內(nèi)部有電源控制模塊、時鐘電路、實時時鐘RAM、命令控制邏輯和輸入移位寄存器模塊。時鐘電路主要是對外接晶振進行頻率分頻，最終輸出1Hz的標(biāo)準(zhǔn)計時頻率。實時時鐘RAM有31字節(jié)寄存器，用于存放臨時性的年、月、日、時、分、秒計時數(shù)據(jù)，只須對這些寄存器讀寫就可以訪問時間，具有閏年補償功能。電源控制模塊采用雙電源（主電源和備用電源）供電，工作電壓為2.0～5.5 V，在上電時，芯片會以主電源當(dāng)做電源，同時會對備用電源進行充電，一旦掉電，芯片就會自動切換到備用電源，保障時鐘繼續(xù)運行。

DS1302在本設(shè)計中用來提供實時時鐘信息，芯片與單片機的連接如圖2所示。芯片的引腳X1和X2外接的32.768 kHz晶振是芯片的振蕩源，為時鐘模塊提供一個穩(wěn)定且長久的振動頻率。芯片的1號引腳和8號引腳，分別為備用電源和主電源引腳，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。SPI三線接口包括RST、I/O、SCLK 3個引腳，它們分別和單片機對應(yīng)的IO口相連。RST引腳為復(fù)位/片選線，在讀寫數(shù)據(jù)期間，必須為高電平，該引腳使用時須要外接上拉電阻；I/O引腳是串行數(shù)據(jù)的雙向輸入輸出線；SCLK引腳為串行時鐘輸入端，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

芯片的內(nèi)部RAM寄存器包括日歷時鐘相關(guān)的7個寄存器、寫保護寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器、RAM相關(guān)的多個寄存器等。日歷時鐘相關(guān)的7個寄存器，分別為秒、分、時、周、日、月、年寄存器，每個寄存器都有自己的存儲格式，以BCD碼形式存放時間。單片機讀取DS1302的時間或者向DS1302寫入初始時間時，都是通過發(fā)送不同的命令字實現(xiàn)的，命令字的格式如圖3所示。在存取日歷時鐘數(shù)據(jù)時，命令字的第六位為1；第五位到第一位的二進制組合用來選擇操作秒、分、時、周、日、月、年、寫保護等寄存器；第零位為1表示讀操作，為0表示寫操作。當(dāng)讀取時鐘寄存器時，寄存器地址為81H-8DH的奇地址；當(dāng)對時鐘寄存器進行寫操作時，寄存器地址為80H-8CH的偶地址。

2.2 EEPROM

本設(shè)計使用I2C總線的EEPROM芯片AT24C02^［6］來存儲相關(guān)信息。該總線是由Philips公司開發(fā)的一種雙向二線制同步串行總線。該芯片是掉電不丟失的存儲器，芯片內(nèi)部含有256個8位字節(jié)單元。該芯片體積小、占用的空間非常小、控制簡單、通信速率較高。本設(shè)計利用AT24C02存儲測量的最大頻率、發(fā)生時間、平均頻率等信息，供用戶查詢，詳細(xì)的電路連接如圖4所示。二線制是指數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL，使用時一般和單片機的IO口相連并須要外接上拉電阻。

單片機對AT24C02操作時，要遵循該芯片的讀寫時序，配合起始信號、應(yīng)答信號、終止信號等完成讀寫操作。

當(dāng)單片機對AT24C02執(zhí)行字節(jié)寫入操作時，單" 片機首先發(fā)送1個啟動信號來啟動發(fā)送過程。接下來單片機要分別發(fā)出1個寫芯片地址、1個要寫操作的存儲器單元地址、1個要寫入的8位數(shù)據(jù)給AT24C02。這3個信息都要等待AT24C02發(fā)出應(yīng)答信號后才能發(fā)出下一個，最后單片機發(fā)出1位終止信號終止發(fā)送。

當(dāng)單片機對AT24C02執(zhí)行當(dāng)前地址讀操作時，單片機同樣發(fā)送1個啟動信號、1個寫芯片地址選中芯片。和寫操作不同的是，單片機再發(fā)送1個讀芯片地址給AT24C02，得到AT24C02的應(yīng)答后，則讀單元的數(shù)據(jù)就會按時鐘信號同步出現(xiàn)在SDA線上，當(dāng)單片機讀取完數(shù)據(jù)后，發(fā)出1位終止信號終止讀過程。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的初始狀態(tài)是八位數(shù)碼管顯示的時間界面，用戶通過按下“界面”“選擇”“加”“減”4個獨立按鍵來切換選擇各種功能顯示界面，實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的加減功能。當(dāng)系統(tǒng)處于某種功能界面時，數(shù)碼管就顯示該功能的測量數(shù)據(jù)信息，對應(yīng)的LED燈點亮指示當(dāng)前的測量狀態(tài)。當(dāng)測量結(jié)果超限時，相應(yīng)的LED發(fā)光報警。本設(shè)計的程序流程如圖5所示。

4 實驗結(jié)果

本設(shè)計是利用單片機綜合實訓(xùn)平臺來測試結(jié)果，所需測量頻率的脈沖信號和單片機P3.4引腳相連。實訓(xùn)平臺一上電，8位數(shù)碼管顯示當(dāng)前時間“10-12-26”。若用戶按下“界面”按鍵一次，啟動單片機的測量頻率功能，指示燈L1點亮，數(shù)碼管顯示如表1所示，8位數(shù)碼管顯示本次測量頻率的結(jié)果1268，單位為Hz，“F”表示當(dāng)前為測頻狀態(tài)，每次測量的數(shù)據(jù)寫入AT24C02中保存。如果改變所測脈沖信號的頻率，數(shù)碼管顯示的頻率結(jié)果隨之變化。

此時用戶第二次按下“界面”按鍵，系統(tǒng)切換到測溫度界面，指示燈L2點亮，DS18B20把所測數(shù)據(jù)傳輸給單片機，8位數(shù)碼管實時顯示當(dāng)前溫度，“C”表示當(dāng)前為測溫狀態(tài)。第三次按下“界面”按鍵，切換到當(dāng)前時間顯示界面，指示燈L3點亮。第四次按下“界面”按鍵，切換到參數(shù)界面，指示燈L4點亮。第五次按下“界面”按鍵，切換到回顯界面，指示燈L5點亮。

在參數(shù)界面時，用戶第1次按下“選擇”按鍵，數(shù)碼管顯示界面如表2所示，顯示超限報警的頻率值為5000 Hz，如果所測頻率大于該超限報警值，L6閃爍；第2次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表3所示，顯示當(dāng)前頻率的校準(zhǔn)值為400 Hz。此時，可以按下“加”或“減”按鍵來修改超限報警值和校準(zhǔn)值。

在回顯界面時，用戶第1次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表4所示，顯示所測的最大頻率值為12678 Hz， 第2次按下“選擇”按鍵，顯示界面如表5所示，顯示最大頻率的發(fā)生時間為10：25：37，實現(xiàn)了最大頻率及發(fā)生時間的記錄和回顯。

5 結(jié)語

本設(shè)計功能全面，具有測頻、測溫、時間顯示等基本功能，用戶通過按鍵實現(xiàn)界面切換和參數(shù)設(shè)置。為了提高測量精度和穩(wěn)定性，本設(shè)計設(shè)置了校準(zhǔn)值校準(zhǔn)，實現(xiàn)測量結(jié)果的自動校準(zhǔn)和修正。在測頻過程中，為了檢測頻率的動態(tài)變化，本設(shè)計能動態(tài)記錄平均頻率、最大頻率值以及發(fā)生時間，供用戶翻查。當(dāng)測頻結(jié)果超出界限值時，LED報警。本設(shè)計有很廣泛的使用場合，可以用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的動態(tài)心率監(jiān)測、汽車故障動態(tài)信號的診斷監(jiān)測等場合，為病情或故障判斷提供參數(shù)依據(jù)。

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（編輯 王雪芬）

Design of multifunctional dynamic frequency meter with backlight and calibration functions

LIU" Liaoyuan

（Department of Electronic and Information Engineering， Jiangsu Institute of Architectural Technology，

Xuzhou 221116， China）

Abstract： Frequency measurement has a wide range of applications in the fields of electronic engineering and medicine. In order to improve the dynamic monitoring performance of the system and obtain the dynamic changes of frequency during the measurement process， this article proposes a multifunctional dynamic frequency meter design with display and calibration functions. This design has basic functions such as frequency measurement， temperature measurement， and time display， which can be switched and parameter settings can be achieved through buttons. When the frequency measurement result changes beyond the set range， this design triggers AT24C02 to record the frequency result and occurrence time， and calculates and records the average frequency for users to review. This design can adjust the calibration value through buttons to achieve automatic calibration and correction of measurement results. The experimental test results show that this system can accurately detect the dynamic changes in frequency measurement， with high measurement accuracy and stable parameters. It can be used for dynamic heart rate monitoring in the medical field， diagnosis and monitoring of dynamic signals of automotive faults， and other occasions， providing parameter basis for disease or fault diagnosis.

Key words： reflection; calibration; dynamic; frequency