基于STC15单片机的高精度频率计设计

齐 宣，李一民，邵玉斌，龙 华，杨道福

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504）

基于STC15单片机的高精度频率计设计

齐 宣，李一民，邵玉斌，龙 华，杨道福

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504）

本文提出一种基于STC15W4K48S4单片机的高精度数字频率计的设计方法，内部软件设计采用多周期同步测量法实现，设计中对测量的数据进行相应的调整减少误差。由于采用了32 MHz的晶振，测量范围可在1 Hz ～10 MHz，并且在高频下误差相对很小。本次设计给出的频率计的设计方案，不但切实可行，而且设计简单、成本低、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

精度; 单片机; 频率计

0 引言

频率是电子技术中最基本的参数之一，并且与其它许多电参数的测量方案和测量结果都有密切的关系，因此频率的测量显得非常重要[1]。而现在的单片机设计的频率计测量频率低，精度差。目前在频率测量领域中，对于高频率信号高精度测量大都使用 ARM FPGA等高速处理器加专用计数芯片来完成[2]。这种方法不仅编程复杂，而且成本高，在一些小型的设备中并不适用。

本文提出的基于STC15单片机的频率计的设计方法，以STC15W4K48S4单片机为控制芯片，充分采用内部的软硬件资源，采用同步测量法控制单片机内部的定时器/计数器，并控制 LCD显示。该方法充分发挥了STC15系列单片机在高频晶振下计数的特点，实验测量中也表现出较高的准确度。

1 功能需求与系统方案论证

为达到监播机的系统使用需要。设计的频率计需要具有以下的技术要求：

1. 频率计的计数范围为1 Hz-5 MHz，且对超出频域的部分也能显示。

2. 频率计有动态显示，显示实时的测量频率，且更新速度不低于2秒/次。

3. 频率计部分可单独工作，不影响其它模块中断的响应。

为实现实验要求并达到预期效果，需对硬件系统与软件系统进行设计，其理由是1. 普通单片机无法达到需要的频率要求；2. 数字频率计软件中涉及数学运算，并要保存大量信息。对测量结果要驱动LCD显示屏显示，作为系统的一部分要有多个定时器/计数器和中断，以此选用增强型的STC15系列单片机。

1.1 系统结构框图

系统总体框图如图 1所示。电路以 STC15W-4K48S4单片机为核心，来完成它待测信号的计数、运算、显示的控制。由于单片机对测量的波形有要求，所以必须将要测量的信号信号或者外接信号(包括方波、三角波、正弦波)转换为单片机可以接受的CMOS方波信号[3]才能输入单片机的计数引脚（P3.4）。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

被整形后的信号送入单片机端口，利用其内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。单片机 STC15W4K48S4内部具有 5个定时/计数器，本设计中选用T0，T1两个定时/计数器，并由编程来实现定时、计数的模式和产生计数溢出时中断内部的功能。

1.2 多周期同步测频的原理

同步测频法是为了提高周期测量法的精度而对其进行改进的方法，其核心是使标准高频信号的采样与待测信号同步，并确保测量时间为整数个待测信号，从而使得该测量方法的原理误差不超过一个标准高频信号周期，大大提高了测量精度[4]。采用同步测频法对被测信号进行测量要求使用两个计数器，分别对被测量信号和晶振信号同时计数，以被测量信号为标准对其计数，使被测量信号计数器溢出的次数为整数倍，而这时另一个计数器对晶振的计数次数就是时间，通过计算便可得出被测信号的频率[4,5]。

其测量原理如图2所示，fx为被测信号频率，fosc为晶振产生的标准频率；当计数器 1（T0）对 fx计数并且控制它计满整数 n个溢出次数时，计数器 2（T1）的溢出次数为nosc，则T0对fx的计数次数为Nx=n×65536次，而 T1对 fosc的计数次数为 Nosc=nosc×65536+TH1×256+TL1，TH1与 TL1是 T1寄存器中的数值。

图2 多周期同步测频原理Fig.2 Multi-cycle synchronous frequency measurement principle

由于计数器1与计数器2是同时开始与停止的，所以是经过了相同的时间T，所以被测频率为：

由于在计数过程中，同步控制使得 fx的计数为寄存器的整数倍，也不存在±1误差，所以误差与fx无关。外部晶振采用32 MHz的有源晶振，保证晶振的稳定，所以误差极小控制在10-6范围内。

2 硬件电路设计

数字频率计的设计原则主要是缩小系统体积降低作品硬件成本，提高系统的可靠性和使用便捷性等，而在监播机系统中对硬件的体积要求尽可能小，同时不能干扰放大电路、检测电路等，因此在单片机的选型及封装，LCD液晶屏，电路等方面要求在满足功能要求的同时减少空间的占用。

2.1 单片机最小系统

本设计采用的是STC15W4K48S4系列芯片，为宏晶公司生产的高性能单片机，封装格式为SOP28。复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。为防止系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，需要设置系统复位按钮。

高频的时钟信号可以加快单片机的运行速度，同时实现对高频信号的采样。STC15提供了可达1T的主频速度和高分辨率的定时器，因此才可以实现高精度和更款范围的测量。本次设计采用 32 MHz的有源晶振。P3.4脚为被测频率的输入引脚，P3.5为外部晶振的输入引脚。由于单片机内部采样原理的限制，理论上可以实现16 MHz信号的采样，但由于误差的影响，频率越高时误差会越大。

2.2 LCD显示模块

显示电路设计的关键问题是显示器件的选择，对于本产品设计的频率计为系统的必要模块，需要与主板一起装置在已提供好的功能箱中。可供选择的器件有 LED 数码显示器和 LCD 显示器，其中LED适用于室内，比较醒目；LCD 比较精细，显示信息多。本作品采用LCD1602型字符显示器，它可以显示2行各16个字符的各种ASCII码字符，因此只要设计合理，就可以将要显示的内容提示，结果信息等全部显示出来，比一般的数码管更直观、更有效[6]。

本次设计采用1602LCD显示模块，由于单片机封装形式为SOP28，考虑到引脚较少的问题采用四线制驱动LCD1602以减少引脚的占用。

编号 符号 引脚说明1 VSS 地2 VDD 正极3 VL 背光调节4 RS 数据/命令选择5 R/W 读/写选择6 E 使能信号7-14 D0-D7 总线端口15 BLA 背光源正极16 BLK 背光源负极

3 软件设计

频率计的软件设计工具选用Keil Vision5，使用C语言设计，整体采用模块化设计方法，整个软件部分由初始化模块、定时器设置模块，计算模块、显示模块组成。系统结构图如图3所示。上电后对单片机初始化，然后分别对T0、T1设置；设置T0为16位计数器，T0对时钟信号进行12分频（此时AUXR=0X40）；T1为 16位定时器，对时钟信号进行计数。

被测量的频率信号由单片机的P3.4脚输入，当T0溢出满10次后，分别对T0和T1的计数次数进行求和，得出Nx和Nosc，然后求出被测频率。

求出被测频率的主要程序：

void CallFrecency(){

unsigned long int sum_T0=0;

unsigned long int sum_T1=0;

double a_adjust=0.0;

sum_T0=10*65536;//计算T0计数值

sum_T1=(cycle2*65536)+TH1*256+TL1;

Nx_adjust=(a0+0.0)/(a1+0.0);

Nx=FOSC*a_adjust;

cycle1=0;

cycle2=0;

}

为了减少每次的误差，对测量结果调整，每测量10次取平均值。

数值调整的部分程序：

If(flag=1){

…

CallFrecency();

//将每次计算的Nx值放入数组

Result_num[flag_10]=Nx;

Flag_10++;

…

For(i=0;i＜10;i++){

Sum_result+=result_num[i];

}

ave_result=sum_result/10;

…

}

图3 软件流程设计Fig.3 Software process design

4 测量结果

实验测量中采用32 MHz外部有源晶振作为时钟，在正常室温条件下对信号发生器产生的方波信号进行测频，结果如下表。

从实验结果可以看出，在1 MHz内测量精度很高，在5 MHz内会出现极小误差，范围控制再0.1‰内。与普通单片机实现的频率计设计相比较，能达到较大的量程且在10 M内的误差很小，采用本设计方法能达到较高的精度要求。

表1 测量结果Tab.1 Measurement results

5 结语

数字频率计作为一种基本的测量仪器，在多种场合中都有应用；而单片机具有体积小，较强的功能和低廉的价格。本文给出的频率计的设计方法，可以在保持较高精度的情况下测量高达10 MHZ高频信号。在不增加外部器件的情况下通过软件的设计达到目的要求。本设计简单，稳定性高，可以极好的满足在广播监播机中的频率和精度要求。

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Design of High Precision Frequency Meter with STC15

QI Xuan, LI Yi-min, SHAO Yu-bin, LONG Hua, YANG Dao-fu
(College of Information Engineering and Automation , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650504, China)

This article presents a high-precision digital frequency meter design method based on sigle chip computer STC15W4K48S4, the mater adopts the method called ‘Mutli-Period Synchronism’to realize the design,and adjust the measured data accordingly to reduce the error. As a result of the use of 32 MHz crystal,the meter can measure the frequency from 1 Hz to 10 MHz, and the error is relatively small at high frequencies. The design given in this article, not only pracyical, but also simple, and wide frequency range can be measured. It has a certain application.

Precision, MCU, Frequency meter

TP368

B

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.043

本文著录格式：齐宣，邵玉斌，杨道福. 基于STC15单片机的高精度频率计设计[J]. 软件，2017，38（12）：220-222

齐宣，硕士研究生，研究方向为：通信信号处理技术；邵玉斌，硕士，教授，硕士生导师，研究方向为：移动通信和个人通信系统；杨道福，硕士研究生，研究方向为通信信号处理技术。