基于C8051F020芯片的多功能计数器设计

引言

计数器作为一种测量工具．在实验分析、工业丁程制造、测试系统中发挥着巨大的作用。随着电子技术的发展．计数器的软硬件有了飞速发展，其应用领域不断扩展．功能也得到了加强。尤其是各种新型计数器的应用。极大地提高了测量的精度、测量的范围与测量的内容。
多功能计数器的设计与制作．涉及到单片机技术、人机界面技术、信息存储技术、语音报数等多方面理论知识和实际制作技术。本文详细分析了多功能计数器的设计方案和电气原理．描述了多功能计数器中各个模块的基本工作原理和相互关系．最后归纳分析了所设计出的多功能计数器的主要功能和性能指标、特点以及使用方法。

1 方案比较与确定

1．1测量原理比较

经分析，有以下2种测量原理方案可供选择：

方案一：采用等精度测量法。等精度测频法使该系统具有以下特点：①相对测量误差与被测频率的高低无关；②增大Ypr或fs可以增大N5，减少测量误差，提高测量精度；③测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号的频率无关，预置门和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下。等精度测量法的测鼍精度不变。实现原理图如下图1-1所示：

方案二：边沿触发捕捉通过PCA的边沿捕捉模式对信号上升沿进行计数从而达到间接对周期、频率和时间间隔的测量功能。
对频率(周期)的测量：单片机的晶振为22．1184MHz，首先由晶振产生标准频率(周期)，同时由信号发生器发出的信号经预处理模块整形和分频器的分频后由PCA的边沿捕捉模式对其上升沿进行捕捉并计数，从而通过间接测量出在标准频率对应的时间内或标准周期内信号的数目。达到计数的目的。其原理图如图l一2所示。


图1-1等精度测频


图1-2 PCA边沿捕捉原理图

对时间间隔的测量：由于函数信号发生器产生的信号都是周期信号，而且此法对周期信号的测量精度极高，因此只需用PCA捕捉周期信号的相邻两个上升沿。并记录时间就得到了时间间隔。

采用这种方法得到的测量结果的误差小，精度极高，可以达到题目发挥部分要求的精度；同时此法的电路结构简单，外围模块相对较少，实现功能较多，能够测量的频率范围、周期范围较大。

综合上述因素，本显示器采用第二种方案，即由PCA边沿捕捉测试。

1．2 预处理设备选择

方案一 用施密特触发器将原始信号转换成脉冲信号。可以防止比较器凶干扰而产生的抖动．且可以提供一定的正反馈使其传输特性具有回差特性。但当输入信号幅值低于其触发电平时．不能产生我们需要的脉冲信号。

方案二 用6N317高速光电耦合器将原始信号转换成脉冲信号。具有温度、电流和电压补偿功能。在响应速度、输出电平与数字电路的兼容性、工作点稳定及价格方面具有明显优势。同时它可以产生频率范围较大的脉冲信号．很好的满足题目基础部分和发挥部分的功能实现。如图1-3所示。

基于以上分析，拟采用方案二。


图1-3预处理系统原理图

2 系统总体方案设计

2．1系统总体方案

根据设计任务和要求，本计数器在硬件上由电源模块、预处理模块、分频器、C8051芯片、LCD、键盘、温度测量模块、语音模块等部分组成，如图2-1所示。


图2-1系统设计流程图

预处理模块对信号发生器产生的信号进行整形，产生可供单片机判断处理的信号。单片机对预处理传输的信号进行判断、计数以测量出题目要求的各物理量。然后控制显示器显示当前测量结果．并对用户从键盘输入的信息进行处理、执行功能子程序以及根据计数的结果进行判断启动相应的语音报数程序。

2．2 核心技术

PCA捕捉原理：EXn引脚上出现的有效电平变化导致PCA0捕捉PCAO计数器/定时器的值并将其装入到对应模块的16位捕捉/比较寄存器(PCAOCPLn和PCAOCPHn)。PCAOCPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于选择触发捕捉的电平变化类型：低电平到高电平(正沿)、高电平到低电平(负沿)或任何一种变化(正沿或负沿)。当捕捉发生时，PCAOCN中的捕捉/比较标志(CCFn)被置为逻辑1并产生一个中断请求(如果CCF中断被允许)。当CPU转向中断服务程序时．CCFn位不能被硬件自动清除。必须用软件清0。因此通过PCA的边沿捕捉模式对信号上升沿进行计数从而达到间接对周期、频率和时间间隔的测量功能。

对频率(周期)的测量：单片机的品振为22.1184MHz，首先由晶振产生标准频率(周期)，同时由信号发生器发出的信号经预处理模块整形和分频器的分频后由PCA的边沿捕捉模式对其上升沿进行捕捉并计数．从而通过间接测量出在标准频率对应的时间t内对应的信号的数目．由公式计算出频率与周期。



xt表示计数器溢出的次数。PCAOCPMn代表PCAOCPMn内的数值，PCAOCN代表PCAOCN内的数值。

对时间间隔的测量：由于函数信号发生器产生的信号都是周期信号，而且此法对周期信号的测量精度极高，因此只需用PCA捕捉周期信号的相邻两个上升沿。并分别记录时间t1、t2就得到了时间间隔，则tx=t2一t1。

2．3存储模块

由于需要可以查阅最近十次的测量结果。因此，在系统中增加AT24C256为核心的E2PROM模块。

2．4峰值检测模块

峰值检测器的信号检测范围由基准电压确定．比较器将衰减后的输入信号与前存储的峰值电压进行比较．如果输入信号高于以前存储的峰值电压，则比较器输出高电平，允许计数器以输入始终确定的速率累加计数．随着计数器数值的增加，模数转化器输出增大．当输入信号低于计数器内锁存的峰值电压时，比较器输出为低电平冲止计数。来自微处理器的CLR信号用于峰值检测器的控制，当CLR为低电平时计数器被复位，CLR为高电平时峰值检测器处于正常工作状态。电路图如图纠所示。

2．5测温模块

系统选用数字式温度传感器DSl8820，它具有体积小、精度高、使用电压宽、经济、灵活、采用一线总线、可组网的特点。电路如图2—2所示。


图2-2峰值检波电路原理图