基于CPLD和单片机的数字频率计硬件电路设计

2014-05-30江文超王文远

电脑知识与技术 2014年9期

江文超　王文远

摘要：采用CPLD芯片和单片机相结合方法实现对正弦波和方波信号的频率测量。硬件设计方面通过施密特触发器进行信号整形，再利用CPLD进行频率计数，然后将计得的数据传输到单片机中进行处理，最后用LCD1602液晶显示器显示结果。该文试图探讨基于CPLD和单片机的数字频率计的硬件电路设计。

关键词：CPLD；单片机；数字频率计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2084-03

CPLD具有集成度高、开发周期短、运算快等优点，CPLD数字频率计精度高，测量范围宽，抗感性强，并且设计的电路简洁，能大大降低产品成本。CPLD频率计能把具有控制功能的各模块程序下载到一块小芯片内。该芯片就能替代许多单元电路或单片机控制芯片和许多外围电路。这在很大程度上简化了电路结构，增加了电路的稳定性。

1 CPLD功能介绍

最早的可编程逻辑器件诞生于20世纪70年代。输出逻辑宏单元是可编程的，可以完成软件，因为它的硬件架构，因此其比数字电路硬件电路设计，具有很强的灵活性，但它过于简单的结构，使它们只能实现较小。为了弥补可编程逻辑器件只能设计电路规模小的这一缺陷， 20世纪末，推出了复杂可编程逻辑器件。此应用程序已深入网络，仪器仪表，汽车电子，数控机床，航天测控设备等。该设备的特点：它是编程灵活性，高集成度，设计开发周期短，广泛的应用范围，开发先进的工具，制造成本低，要求低的硬件设计经验，标准产品无需测试，保密性强，大众化的价格和电路设计等等众多特点，所以它被广泛应用于产品的设计和样机生产。复杂可编程逻辑器件在几乎所有情况下都能应用可以是中小规模数字集成电路的通用应用。复杂可编程逻辑器件已经是现代电子产品重要的组成部分，对于复杂可编程逻辑器件的设计、运用已经成为了现代电子工程师必需具备的一种专业技能。

该频率计选用的CPLD器件是Altera公司生产的EPM1270T144C5N。低功耗CPLD提供业界最好的价值，提供了强大的新功能，在高达50%，总功耗降低与竞争CPLD相比时。135*3403*8415 Altera的MAX V还设有一个独特的，非易失性的架构和业界密度最大的CPLD。此外，MAX V集成了许多功能，如闪存，RAM，振荡器，锁相环，以前的外部，并在许多情况下，它提供了更多的I / O和逻辑相同的价格每足迹与竞争CPLD 。MAX V采用绿色包装技术，与包小20平方毫米。MAX V CPLD器件支持的Quartus II软件v.10.1，这使得生产力增强，从而导致更快的仿真，更快的板带，以及更快的时序收敛。它还具有延长电池寿命静态功耗低至45uW 由于只有一个电源（VCC核心），这也降低了材料清单（BOM）成本，DPLL数字锁相环，能灵活地实现设计要求倍频或相移在系统编程（ISP），它可以让你对器件进行编程，而这是在操作过程中，这样你就可以进行现场更新，而不影响整体系统的运行，用户闪存，嵌入式快闪记忆体，提供非易失性存储器中存储的关键系统信息。

2 基于CPLD和单片机的数字频率计硬件电路设计

本设计采用了巧妙的方法运用单片机和CPLD的结合来实现等精度数字频率计。因为该频率计涉及到的计算包括加、减、乘、除需要的资源很大，用一般中小规模的CPLD芯片很难实现。[4]

2.1 系统电路框图设计

电路系统原理框图如图1所示，主要流程为用CPLD作为计数器，记录信号频率，然后将记录的信号频率传输到单片机上进行数据处理最后通过单片机将处理好的数据发送到液晶显示器上显示。

系统的基本工作方式如下：

1）P1口是单片机与CPLD的数据传送通信口，P0口为LCD1602的串行显示控制口。

2）显示电路为LCD1602液晶显示。

3）开发板自带的晶振来提供测频所需的48MHz标准频率信号。

4）被测信号通过施密特触发器整形后输入CPLD的TCLK。

2.2 CPLD硬件电路设计

如图2所示为CPLD芯片与单片机的接口和48M晶振原理图

CPLD的18引脚接48M晶振，29引脚与施密特触发器相连接待测信号输入，49引脚与单片机P2.3口相连其作用是计数器清零（复位：COUNTER_RST为"1"的时候计数器清零）51引脚与单片机P2.4相连是计数器的计数使能，当COUNTER_CLK预控制信号（为1的时候计数器开始计数，为0的时候停止计数）。53、57、59引脚分别于单片机P2.5、2.6、2.7相连计数值读出选通控制71、73、75、77、79、81、85、87引脚分别与单片机P1.7～P1.0相连其作用是并行传输数据（CPLD芯片向单片机传输）

2.3 单片机最小系统设计

STC12C5A60S2单片机有36个通用I/O，为本系统提供了丰富的资源，其工作频率范围为0至35MHz，工作电压范围为3.3V至5.5V，大大方便了系统地设计。单片机最小系统中包括STC12C5A60S2为主控制芯片及复位电路和晶振电路，如图3所示。

9 引脚接复位电路，18、19 引脚接晶振电路，晶振大小为12MHZ。

单片机在运行过程中，会受到外界因素干扰造成寄存器中数据混乱，不能正常执行程序或产生的结果不正确，这就需要复位来使程序重新开始运行。复位电路可以使单片机内部寄存器及系统回到初始状态，并且从初始状态重新开始运行。STC12C5A60S2单片机有多种复位方式如外置按钮手动复位、软件复位、上电复位等复位方式，在本设计中采用外置按钮手动复位方式，从外部向RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。[5]本系统中单片机的复位信号从RST引脚（9引脚）输入到芯片内的施密特触发器中，并将拉高维持至少24个时钟加10us后，单片机进入复位状态，再将RST引脚拉回低电平，单片机结束复位状态并从初始状态开始工作[6]。

单片机中所有指令的执行都是建立在晶振提供的时钟频率，所以晶振电路尤为重要。它是将电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下保证系统的稳定。本设计采用外部时钟电路，由18、19引脚外接30pf电容和12MHZ石英晶体振荡器。

2.4 信号整形部分设计

SN74HC14N具有6通道，在本设计中使用其中1个通道，将非方波信号转化为方波信号，电压范围0-5V，具体整形电路如图4所示。

2.5 显示部分设计

液晶1602显示屏显示内容为16X2，可以显示两行字符，每行16个字符。其内部自带字符发生器，只要在程序中写上字符对应的代码，就能显示想要的字符，操作起来比较简单，液晶1602具体电路如图5 所示。

液晶1602接口说明：

1）第1、2端口为电源端口；第15，16端口为液晶屏背光电源端口；为了防止液晶背光灯不被烧坏，第15端口不直接上5V电，串联一个电阻来限流。

2）第3端口为调节液晶对比度端口，接一个104电位器来调节液晶上字符显示的亮度。

3）第4端口为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机P2.0口。

4）第5端口为液晶读/写选择端，接单片机P2.1口

5）第6端口为使能端口，是操作时必需的信号，接单片机P2.2口。

6）第7至14端口为数据口，接单片机P0口。