基于TMS320F2812DSP的测频方法的数字频率计的方案设计

本文给出一种基于TMS320F2812(简称F2812)DSP的一种简易测频方法。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器的捕获功能，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，测量精度高。

1 测量方法

常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法虽在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低，直接测周法则恰恰相反。多周期测量法是将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器，其实际闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，因此消除了对被测信号计数时产生的±1 Hz的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。因此本设计采用多周期测量法作为具体的实施方案。

2 系统的设计

2．1 系统的硬件设计

硬件系统总体框图如图1所示。被测信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为0～3．3 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。测量完成后，一方面可由键盘设置相关参数通过LCD显示测量结果，另一方面可通过RS一232传送给PC机显示测量结果。另外，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。

本设计选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812DSP作为核心处理单元。F2812是TI公司近几年推出的高速、高精度的工业控制DSP芯片。它运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可以达到6．67 ns以内，低功耗(核心电压1．8 V，I／O口电压3．3 V)。它采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力；外围设备包括3个32位的CPU定时器，16通道的12位A／D转换器，串行外围接口(SPI)，2个串行通信接口(SCI)等。其片内外设时间管理器含有2个模块(EVA和EVB)，每个模块都包括2个通用定时器，3个全比较／PWM单元，3个捕获单元和 1个正交编码脉冲电路。本设计主要利用EVA中的2个通用定时器(T1和T2)，2个捕获单元(CAPl和CAP3)，EVB中的1个通用定时器 (T3)。具体测量原理如图2所示。

首先设定T3比较值(预置闸门时间为0．012 8 s)，设定T1的比较值为1，使能CAPl。然后使能T1，当其接收到一个整周期的被测信号时即可产生比较输出，同时产生比较中断，读取CAPl的栈值 (即T2的初值t2_1)，清T1、T2上溢次数，使能CAP3和T3。最后当T3定时结束，借助于D触发器在被测信号的下一个上升沿到来时，切断T1的比较输出，同时PDPINTA将被置位，然后记录T1和T2的上溢次数tlofcount、t2ofcount，读取CAPl的栈值(即T2的末值 t2_2)和CAP3的栈值(即T1的末值tl_2)。由所得数据计算频率，禁止T1、T2、CAPl和CAP3。频率计算公式为：

注意：CAPl的捕获时基为T2，CAP3的捕获时基为T1，标准频率信号为150 MHz时钟频率的8分频。

2．2 系统的软件设计

主监控程序是整个软件系统的总调度程序，它控制着程序的有序运行。系统在上电或复位后，主程序先调用各模块的初始化子程序，主要包括GPIO初始化、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化。系统初始化完成之后，主程序启动CPU_Timer0，使能 T1、T2的上溢中断，启动CAPl，设置T1的比较值为1，等待T1CINT置位，开始测量频率。为减小测量过程中产生的随机误差，所测结果均取平均值。利用CPU_Timer0产生一定的时间段(O．6s)。该时段结束后(CPU_TimerO中断标志位置位)，即对该段时间段内记录的测量结果求均值。此时，如果查询到上位机发出接收请求，则传送相应数据至PC显示。然，后，重新初始化定时器和捕获单元，进入下一轮测量。主监控程序流程如图3所示。

测频的部分源代码如下：

3 误差分析及测试结果

3．1 量化误差

设被测信号的频率为Fx，其真实值为Fxe，标准频率为Fs，在一次测量中，预置闸门时间为T′，Tpr为实际闸门时间，被测信号计数值为Nx，标准频率信号计数值为Ns。

Fx计数的起停时间是由该信号的上升沿触发的，在T′时间内对Fx的计数Nx无误差，对Fs的计数Ns假设相差N个脉冲，即|△et|≤n。

由于Fx／Nx=Fs／Ns，Fxe／Nx=Fs／(Ns+△et)，根据相对误差公式有：

因此可以得到以下结论：

①相对测量误差与被测信号的频率无关。

②增大T′或者提高Fs，可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度。本设计方案中，预置闸门时间限定了最低的测量精度。

③误差分析中的n，主要由硬件切断T1PWM所需要的时间决定，为一个小整型常数。若预置闸门时间Tpr=O．012 8 s，则

即使n取不为l的小整型常数，仍可以使得精度维持在十万分之一以内，并且