论文总字数：19840字

摘 要

在电子技术中，频率是重要参数之一，并且与许多电参量的方案、测量结果都有十分密切的关系。现在有很多方法测量频率,其中数字频率计具有一系列的优点：使用方便、精度高、测量迅速，便于实现测量过程自动化等。

本文根据数字式频率计测量原理，以单片机为系统控制核心，以FPGA实现测量功能，采用等精度测量方法减少测量误差，提高测量精度，实现频率测量。在设计过程中，FPGA负责对待测信号和标准信号进行计数，计数值通过SPI连接通信口传给单片机；单片机对数据进行分析计算，最终得到频率值；单片机控制TFT显示器显示最终结果，结合开发板实现系统整体功能。软件程序方面FPGA和单片机部分分别使用模块化设计，根据原理图和流程图来设计具体程序，经过对闸门时间、标准信号等参数的修改反复调试，最后得到精度较高的测量结果。

经过对软硬件的调试、测验后，本课题的数字式频率计实现0.1Hz到100MHz的测量范围，实现测量精度达到0.1%，测量最终结果在液晶显示屏上显示出来。

关键词：单片机 FPGA 频率测量 等精度

Design and Implementation of Digital Frequency Meter

Abstract

In the field of the electronic technique ,frequency is one of the most important parameters. And it is also closely related with many other parameters measure. Nowadays ,we have a lot of methods to meter the frequency, in which the digital frequency meter has a series of advantages. It can be used very convenience and have high precision. Using the digital meter can let people get the results soon. Besides ,facilitating the realization of automatic measurement process is another virtue.

In this paper ,it is on the basis of theory of digital frequency meter and using the SCM as the core of system control. Then FPGA play the role of metering the frequency. The apply of the precise measuring method can reduce the measurement errors. FPGA can meter the number of standard signal and input signal. The count can be transmit to the SCM through the SPI. The part of SCM have the function of calculating the count and it also can control the TFT to show the result. There are two parts of program ,the FPGA and the SCM. They all use the modular design concept. On the basis of the flowsheet ,some parameters like the gate time or standard signal can be adjusted. Then we can get the final good result.

Through the adjustment of program ,the digital frequency meter can measure the frequency range from 0.1Hz to 100MHz and its precision can be 0.1%. The measurements can be showed in the LCD screen.

Keywords: SCM FPGA frequency meter precision

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景 1

1.3 课题来源及研究内容 1

1.4本文所做的工作 2

1.5 本文内容 2

第二章 主要原理和方案 3

2.1 等精度测频法原理 3

2.2方案论证 5

2.2.1总体方案论证 5

2.2.2测频方案论证 5

2.3系统整体框图 6

第三章 系统硬件设计 7

3.1 FPGA测量模块 7

3.1.1 核心电路 7

3.1.2 外部时钟和复位电路 7

3.2 C8051单片机控制模块 8

3.2.1 核心电路 8

3.2.2 TFT液晶显示电路 9

3.2.3 外部晶振、复位电路 10

3.2.4 单片机和FPGA的SPI接口电路 10

第四章 系统程序设计 12

4.1 FPGA程序设计 12

4.1.1整体结构的设计 12

4.1.2 锁相环倍频模块 14

4.1.3 频率测量模块 15

4.1.4预置门设置模块 18

4.1.5 软件延时消抖模块 20

4.1.6 SPI通信接口模块 22

4.2 C8051单片机程序设计 23

4.2.1 主程序流程图 23

4.2.2 TFT液晶显示屏模块 24

4.2.3 界面初始化 25

4.2.4 频率计算显示模块 25

4.2.5 SPI总线设置 25

第五章 系统调试与结果分析 26

5.1 系统调试 26

5.2 开发板功能实现 27

第六章 总结和展望 30

6.1 总结 30

6.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 引言

在电工电子技术领域中，频率一直都是很重要的参数，所以对于它的测量工具频率计，要求也越来越高，一开始的频率计的硬件电路设计等是很复杂，而且误差大，消耗大。但科学技术不断的进步着，尤其是功能越来越强大的单片机和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现，使得频率计可以采用集成电路，在精度、功能、可靠性等方面不断提高。

传统的测频方式有直接测频法和测周法等，其都不能兼顾高低频率相同的精度的测量，所以出现了等精度测量方法。本文采用等精度测量方法，主要以51单片机为系统控制核心，以FPGA实现测量频率的功能。

1.2 课题背景

数字频率计一开始主要用以测试各种信号的频率。而它实际的应用不仅仅于此，数字频率计可以外接传感器等仪器，用于其他更多的测量参数，如声音的频率、产品计数等等。随着大规模和超大规模数字集成电路技术、单片机技术和数据通信技术的不断发展，数字频率计的精度，可靠性都不断的改善，并且在基本的测量频率，占空比这些参数的基础上，扩大它的测量功能，具有自检、自校、数据存储、数据通信等功能。其可以更多的应用于更智能化、功能更加复杂的产品仪器上，达到自动化的效果。

1.3 课题来源及研究内容

对于频率这一参数的测量在电子信息领域有着重要地位，所以频率计技术也在不断发展，传统的频率计如今已经无法满足如今人们的需求。本课题要求以CPLD/FPGA或者单片机为系统控制核心完成频率计的设计和实现，实现0.1Hz到100MHz的频率范围的测量，同时精度要求小于0.1%，在LCD的显示屏上显示相关的一系列参数，如频率，周期等。在本课题中使用的软件是Quartus和Keil软件，分别使用Verilog语言和C语言进行FPGA和单片机的编程。在完成系统原理图的设计以后，设计软件部分并且仿真结果，结合开发板实现功能，并且在原有基础上提出扩展等。

1.4本文所做的工作

本课题完成了如下工作

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