基于msp430F149的多功能计数器
摘要 本文设计了一种以超低功耗单片机MSP430F149为控制器，以高速的FPGA（现场可编
程门阵列）实现等精度测量正弦信号的频率、周期和相位差的多功能计数器。在设计中依据等精度计数原理，应用单片机的数学运算和控制功能，利用f=1/T实现了频率和周期的统一处理；采用相位-时间转换方法，根据???f/f0?N?360?完成了相位差测量。此外，利用外加模拟通道，实现了对正弦波小信号的预处理，使得该计数器能够在较宽的频率范围和幅度范围内进行测量。
关键词 计数器 MSP430F149单片机 FPGA 等精度
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一、系统方案
方案1：采用中小规模数字电路构成系统，由计数器构成主要的测量模块。用定时器组成主要的控制电路。此方案软件设计简单，但外围芯片过多，且频带窄，实现起来较复杂，功能不强，而且不能程控和扩展。
方案2：采用单片机实现。被测信号经调理后送入单片机，利用其内部的计数器完成计数，然后再进行数据处理和显示，但单片机在处理高速信号时略显吃力。
方案3：利用FPGA对调理后的被测信号实现高速计数，单片机软件执行高精度浮点数运算并显示。单片机完成系统的数据处理、逻辑控制和人机交互功能；大规模现场可编程器件（FPGA）实现外围计数功能。电路框图如图1所示。 FPGA 相移电路 （测频 键盘 单片机 测周 输入放大 被测 测相位差） 整形通道 显示 信号 图1 方案3系统框图 方案比较与选择：方案1 采用中小规模集成电路来实现，系统电路较复杂，扩展性能差；方案2用外围电路配合单片机实现测量功能，信号频率比较高时需外加分频电路，影响测量精度和系统稳定性，且单片机任务繁重，给软件设计和调试工作带来不便；方案3用一片高度集成的可编程逻辑器件可完成有关电路所有模块的设计，大大降低了电路复杂度，减少引线信号间的干扰，提高电路的可靠性和稳定性。加上单片机控制，应用单片机的数学运算和控制功能，辅以有效的软件滤波算法，能够进一步提高测量精度，且控制灵活、易于扩展和调试简单，能够达到题目要求。故本设计采用方案3，系统框图如图1所示。
二、理论分析与计算 1、频率和周期测量方法分析
由于频率和周期之间存在倒数关系(f=1／T)，所以只要测得两者中的一个，另一个可通过计算求得。
1）直接测量法 对测频在低频端1Hz时，若闸门时间为1s，其?1量化误差大到100%。为了满足测试精度的要求，显然不能采用直接测量法；
2）直接与间接测量相结合的方法 需对被测频率和中界频率的关系进行判断，在中界频率附近仍不能达到较高的测量精度；
3）等精度测量法 图2为等精度测频、测周原理方框图。
图2 等精度测频原理图
设在一次预置门时间Tp中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号计数值为Ns，有
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Nx?Tx?Ns?Tc （1）
于是 fx?NxNSfc （2）
对式（2）两边微分得其测频相对误差为
?fxfx?NSNxfcNS?fcfc?(fc?Nx?1TpfcNxNs?fc?NxN2sfc?Ns)
= （3）
由式（3）可知，测频误差仅取决于标准信号频率fc和预置闸门宽度Tp，增大Tp 或提高
fc，可以减少误差，提高测量精度。因为闸门实际开放时间等于被测信号周期整数倍，消
除了被测信号计数值?1量化误差，所以测频误差与被测信号频率无关。
?7 若标准信号频率fc为50MHz，闸门时间Tp取1s，?fcfc?10，则测频、测周相对误差
?fxfx?10?7，满足题目要求的性能指标，因此本设计采用等精度法测频和测周。
2 相位差测量方法分析
相位差的测量有很多种方法，如相位—电压转换法、数值取样法和相位差—时间转换法等。其中相位差—时间转换法实际上是测量两个正弦信号波形上两个相应点之间的时间间隔t，若两被测信号周期均为T，则时间间隔t对应的相位差为： ?x?tT?360? （4）
如果只测量一个周期的t和T，无法满足宽频带被测信号的测量精度。如果时间间隔t和周期T测量值比较准确，再通过单片机对实测数据进行高精度浮点数运算及误差修正，就可以达到精度要求。按照这一思路，结合上面对等精度测频、测周原理及误差的分析可知，此方法是切实可行的。
设门控信号的开启时间为t，计数值为N，则 tc?NT0 （5）
c式中T0为时标信号的周期，由（5）式和（6）式得
???ff0?N?360? （6）
式中f为被测信号频率，10Hz?f?100kHz，f0为标准时基，N为计数值。
3 宽带通道放大器分析
因为三极管放大电路参数选择复杂，低频特性不好，抗噪性能差。因此，设计中采用了宽频带、低噪声、高输人阻抗的运算放大器组成高精度放大电路，以获得良好的频率特性和抗干扰能力。输入通道中的放大级设计主要考虑增益和带宽的指标。题目要求能够
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