基于FPGA和8051单片机IP核的多功能频率计的设计与实现

　　频率是电信号中重要的物理量，在电子、通信系统中，信号的频率稳定度决定了整个系统的性能，准确测量信号的频率是系统设计的重要内容。

　　单片机广泛地应用于电子系统设计，其性价比高，大量的外围接口电路，使基于单片机的电子系统设计方便，周期缩短。然而，单片机的串行工作特点决定了它的低速性和程序跑飞，另外还存在抗干扰能力不强等缺点。EDA（Electronic Design Automation）技术以计算机为工具，在Quartus II软件平台上，对以硬件描述语言Verilog HDL/VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、综合及优化、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配、编译、逻辑映射和编程下载等工作，FPGA是纯硬件结构，具有较强的抗干扰能力。

　　文中在FPGA芯片中嵌入MC8051 IP Core，作为控制核心，利用Verilog HDL语言进行编程，设计了以MC8051 IPCore为核心的控制模块、计数模块、锁存模块和LCD显示模块等模块电路，采用等精度测量法，实现了频率的自动测量，测量范围为0．1 Hz～50 MHz，测量误差小于0．01％。

　　1 8051IP（Intelligent Property）软核

　　8051单片机是以由VQM原码（Verilog Quartus Mapping File）表达的，在QuartusII环境下能与VHDL、Verilog HDL等其他硬件描述语言混合编译综合，并在单片FPGA中实现全部硬件系统。

　　MC8051单片机核含有8位复杂指令CPU，存储器采用哈佛结构，其结构框图如图1所示。

　　MC8051的指令系统与8051/2、8031/2等完全兼容，硬件部分也基本相同，例如可接64KB外部存储器，可接256字节内部数据RAM，含两个16位定时/计数器，全双工串口，含节省功耗工作模式，中断响应结构等。不同之处主要有：

　　1）MC8051是以网表文件的方式存在的，只有通过编译综合，并载入FPGA中才以硬件的方式工作，而普通8051总是以硬件方式存在的；

　　2）MC8051无内部ROM和RAM，所有程序ROM和内部RAM都必须外接。

　　3）以软核方式存在能进行硬件修改和编辑；能对其进行仿真和嵌入式逻辑分析仪实现实时时序测试；能根据设计者的意愿将CPU、RAM、ROM、硬件功能模块和接口模块等实现于同一片FPGA中（即SOC）。

　　4）与普通8051不同，MC8051的4个I/O口是分开的。

　　MC8051核在接上了ROM和RAM后就成为一个完整的8051或8052单片机了，MC8051核实用系统的最基本构建顶层原理图如图2所示，主要由4个部件构成。

　　1）MC8051核。CPU_Core即MC8051单片机核如图3所示，由VQM原码表述：CPU_Core．vqm，可以直接凋用。该元件可以与其他不同语言表述的元件一同综合与编译。

　　2）嵌入式锁相环PLL50。其输入频率设置为50 MHz，MC8051能接受的工作时钟频率上限取决于FPCA的速度级别。

　　3）程序ROM，LPM_ROM。采用ROM容量的大小也取决于FPGA所含的嵌入RAM的大小。设置的ROM容量是4k字节。此ROM可以加载HEX格式文件作为单片机的程序代码。HEX程序代码可以直接使用普通8051单片机程序编译器生成。

　　4）数据RAM，LPM_RAM。本系统设置的LPM_RAM容量是256字节。高128字节须用间接寻址方式访问。

　　2 等精度测频原理及FPGA设计

　　等精度测量的一个最大特点是测量的实际门控时间不是一个固定值，而是一个与被测信号有关的值，刚好是被测信号的整数倍，即与被测信号同步。这样就达到了在整个测试频段的等精度测量。等精度测频的核心思想就是通过闸门的信号与被测信号同步，将闸门时间τ控制为被测信号周期长度的整数倍。测量时，先打开预置闸门，当检测到被测信号脉冲沿到达时，标准信号时钟开始计数。预置闸门关闭时，到达时才停止，完成被测信号整数个周期的测量。测量的实际闸门时间与预置闸门时间可能不完全相同，但最大差值不超过被测信号的一个周期。设实际闸门时间为τ，被测信号周期数为Nx，标准信号频率为fs、计数值为Ns，则被测信号的频率测量值为：

　　由于实际闸门时间τ为被测信号周期的整数倍，因此Nx是精确的，而标准信号时钟的计数值Ns则存在误差△Ns（|△Ns|≤1），即标准信号计数的真实值应Ns+△Ns。

　　由此可知被测信号的频率真实值为：

可以看出，相对误差与被测信号本身的频率特性无关，即对整个测量频率域而言，测量精度相等，因而称之为"等精度测量"。标准信号的计数值Ns越大，则测量相对误差越小，即提高门限时间τ和标准信号频率fs可以提高测量精度。在精度不变的情况下，提高标准信号频率可以缩短门限时间，提高测量速度。在计数允许时间内，同时对标准信号和被测信号进行计数，再通过