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摘要：鉴于目前工程上的测频方式中无源测频用于在频率上的粗测，精度不高；有源测频高精度只能测低频，而高频时精度不高。本文根据上述的问题，通过利用DSP的数值控制，设计出可以实现测频范围广，而且能保证精度的测频卡。并且基于DSP的控制系统可以通过软件来实现复杂的算法，且不需要复杂的模拟电路。利用软件实现的测频方法，实时性较好，使用芯片内的PWM输出实现自检电路的设计，然后通过串口通信模块实现上位机和下位机的通讯，将测量结果在上位机中显示出来。
关键词：测频；DSP；数值控制
根据当今科技的发展，数字集成电路已广泛应用，数字集成电路随电子科技的发展不断地更新换代。频率的测量和时间的测量以及其控制方法在现代测量科技领域中有着越来越重要且不可替代的地位。特别是在计量、电子技术、通信、天文、电子仪器以及电气领域中尤其总要。从目前国际发展的趋势来看，对于测量频率的标准和稳定性来说，要求越来越高，大约每5至7年就会有一个数量级的提升。
从目前所存在的工程测量频率的方法一般分为三类：无源测频、有源测频和电子技术法。无源测频中又可以分为谐振法和电桥法，通常无源测频法都是用来对于频率的粗测量。相比之下，有源测频法的测量精度要高一些，又可以分为拍频法和差频法。拍频法是通过使用两个信号线性的叠加，产生出拍频的现象，然后通过监测零差后现象测频，通常用于低频率的测量，误差都在零点几赫兹。而差频法则是使用两个信号非线性的叠加，然后产生差频现象，通过检测零差现象测得频率，通常用于高频率的测量，但是误差一般都在20赫兹左右[1]。
上述的测频方式都不能够同时在测量的范围和测量的精度上达到所需要的要求，相比之下数字测频法的测量范围和精度上都是要优于其二者的，且易于实现。数字测频的方法能够完成频率的测量、时间的测量以及计数功能的所有电子测量一起的通称[2]。时间和频率是数字测量技术中最为基本也是最为重要的参数，目前数字测量广泛都采用了集成电路和大规模集成电路，这使得测量仪器在小型化、耗电、可靠性以及精度等方面都有着很大的改善。
原理及主要模块介绍
测频原理
这种通过DSP的数值控制方式是目前设计控制系统的一种发展趋势，因为在DSP的控制系统下，能够使用软件来实现复杂的算法，从而不需要更为复杂的模拟电路，具备了软硬件模块化、测量功能可重组和可选择的优点。该测频电路采用了TI公司生产150MHz的TMS320F28335芯片，这片芯片中有非常丰富的片内资源，利用这些片内资源可以大大简化硬件电路的设计从而减少了开发的时间，同时对于测量系统的可靠性也有着明显的提高。其内部高效的32位CPU，奠定了其测量精度高的基础。通过利用TMS320F28335这个芯片的片内外的设事件管理器的捕获器功能，在被测量的信号的有效电平跳变捕获其升降沿来计数，其中的电路设计大多都是靠软件的设置来实现。为了能够实现其广泛的测量范围和高精度，本测频电路的基本原理如下：
被测信号通过输入端，然后经过整流电路后，将其变换为0～3.3V的方波信号。然后将整流过后得到的方波信号，输入给DSP，也就是TMS320F28335芯片，通过芯片记录下输入信号方波的升降沿，然后计算出在单位时间内所记录到的升降沿个数来计算出输入信号的频率，从而实现对广范围的频率测量。
1.2主要组成模块
由于测频电路主要的控制芯片是TMS320F28335，但是还是需要其他的外部的电路辅助才能够完成，那么整个测频电路系统主要包括以下模块：主控模块、电源模块、隔离模块、整流模块、串口通讯模块等部分组成。其结构如图1所示。
其中主控模块由DSPTMS320F28335芯片构成；电源模块由LM4805构成，能够由12V的开关电源提供电压，然后转换成5V的直流电压提供给DSP；然后DSP的供电由TPS301构成，TPS301将LM4805供给的5V直流电压转换成为DSP芯片内部所需要的D3.3V、A3.3V、D1.9V、A1.9V等电压；整流模块由LM339构成，LM339是一个电压比较器，能够将正弦波转换为方波，而方波的升降沿使得其较为容易被捕获；测频电路系统的隔离模块选取光电祸合芯片HCPL2630,对惯导组件的多路脉冲信号和DSP之间进行光电隔离，消除干扰信号且对DSP进行保护。
图1
因为是测量频率的电路，所以本次的DSP芯片中主要使用到的是时间管理器捕获单元（CAP）模块以及通讯接口（SCI）。但又因为CAP模块只能捕获到0V～3V的外界模拟方波信号，模拟信道必须将模拟信号转换后才能够输入到CAP模块中。针对于此，本电路采用了ADI公司AD8022作为前端的模拟处理，当闭环增益提高时，AD8022能够驱动更大的容性负载，输出不会产生震荡。本系统采用的是开环的方式实现电压比较器，可以将-15V～+15V的外界模拟信号，通过电压求和电路输出0V～3V的模拟信号；串口通讯模块为RS-232标准串口，采用MAX232芯片，MAX232是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电即可。
为了能够更为直观的实时的观测到所输入信号的频率，在电路外围增加一块单色液晶屏选用CM320240，由于该液晶模块的读写周期最小为800ns，相比TMS320F28335芯片的读、写最大周期为200ns还要大，所以不能够用总线的方式控制液晶模块。故采用简介控制的方式，通过GPIO来控制液晶屏的读写信号。
2具体实现方式
在上述的图1中我们将此测频电路系统各个模块与主控芯片TMS320F28335都表达在图1系统框图中。将图中的模块以合适的位置焊接到电路板上便可以构成本测频系统。
本次的测频电路设计中，所需要的电源为5V，采用的是LM7805芯片和USB接口两种供电方式构成整个测量系统的电源供给。其中LM7805是三端稳压集成电路有三个引脚，分别为输入端、接地段和输出端，可以将7.5V～20V的电压转换成5V输出，且输出电流为5mA～1A。
隔离电路中，当脉冲信号输入到HCPL2630的输入端时，发光二极管因通过电流而发光。光经片内光通道传到光敏二极管,经光电效应产生了光电流,该电流经高增益线性放大器放大后,从集电极开路的三极管输出。这样完成了电-光-电的转换,从而起到对输入、输出信号隔离的作用。
通过利用JTAG接口进行片上调试。JTAG接口符合IEEE1149.1标准，此标准使用了边界扫描技术，用于对芯片的测试。DSP的JTAG下载仿真接口电路需要6条线,分别是TCK、TMS、TDO、TDI、VCC和GND,为了仿真的稳定和可靠,在TCK、TMS、TDO、TDI引脚上接10K的上拉电阻。
在显示部分，本系统采用了两种方式实现显示：液晶显示屏和计算机显示，在此重点介绍计算机显示。计算机上显示结果是通过用VisualC++6.0编写计算机用户界面，DSP通过串口将频率测量得到的信号结果发送给上位机进行实时的显示。TMS320F28335芯片中有三个USART，即为两个通用同步/异步串行接口。本系统设计使用串口0（USART0）与计算机进行通信，TXD和RXD分别为串口0的发送数据和接收数据线，用来向上位机发送数据和接收上位机的开始和结束命令。在这里由于DSP输出的是TTL电平，而计算机上串口输出的是RS-232电平，所以在DSP和计算机串行通信电路上，需要对电平进行转换，在这里我们使用MAX232芯片来实现RS-232和TTL之间的电平转换。
最后，待测正弦波信号通过输入端接入到测量电路系统时，经过整流电路整流后得到方波信号输入到DSP，此时DSP中的时间管理器（EVA）中的ECAP模块被触发，设置其对上升沿进行捕获。当产生捕获事件时，首先TSCTR的内容会被捕获到，然后Mod4计数器递增计数到下一个状态。当TSCTR计数到FFFFFFFF时会自动清零，如果计数达到最大值，计数溢出标志位CTROVF置位并产生中断，CPU可以从CAPx寄存器读取数据。捕捉操作的时序图如图2所示。
图2
其中写入的主要程序如下：
TSt1=Ecap1Regs.CAP1;//在t1时刻获取时间标签
TSt2=Ecap1Regs.CAP2;//在t2时刻获取时间标签
Period1=TSt2-TSt1;//计算第一路信号周期
TSt3=Ecap1Regs.CAP3;//在t3时刻获取时间标签
TSt4=Ecap4Regs.CAP4;//在t4时刻获取时间标签
Period2=TSt3-TSt4;//计算第二路信号周期
最后根据F=(150000000/n)/Period;将所获得的信号换算成频率。其中n为DSP的时钟分频数。
实验数据
对测频卡的测试精度的测试是通过将工频网络中的220VAC-50Hz的交流电直接接到电路板上完成测量的。测试结果的数据在小数点后第2位波动，按照测量数据在小数点后第1位波动±0.1计算相对误差达到±0.1/50×100%=±0.2%。同时考虑到市电的网络频率并不是非常稳定，在有网络频率波动的情况下测试结果达到±0.2%，在发电系统中应用时，其测试精度会更优。因此，该测频卡对工频网络的频率测量精度满足要求。
4总结
本文重点分析了一种数字测频电路的设计方案、硬件组成以及采用Modbus协议实现的上位机与下位机的通信。在本测频电路中，TMS320F28335这片DSP芯片作为主控芯片，它是整个系统的心脏,发挥着重要作用。主控芯片通过数据线、地址线和中断信号线实现了对多路脉冲信号测量电路的控制、数据传输。又因为通过算法代替了许多的模拟电路，使得开发起来更为简便，所以从原理和构成模块上开始介绍本测频系统的开发过程。在具体的实现过程中，由于其便捷，所以能够将其做成一个便携式的测频装置，只需要接上对应的电源即可，同时也因为DSP的优点，实现了广频率范围和高精度测量。通过对此测频电路的设计，对于在工业和电气领域上的电信号频率测量又是一个新的提升，但这其中不乏有缺点和不足，需要在后期的研究中不断改进。
5参考文献
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[4]索南加乐,葛耀中,王安定,田怀智,阿不力孜.一种不受电压过零点影响的新型频率测量方法[J].西安交通大学学报,1995,29(3):84.
[5]张瑾,刘海燕,李泽光.基于单片机和CPLD的等精度测频系统[J].微处理器应用,2009,32(8):88.
[6]谢斌生.运用CPLD实现电信号频率的测量[J].宁德师专学报,2008,20(1):58.
雷奇(1981.9.20),男，学历：武汉理工大学自动化学士，单位：武汉圣禹排水系统有限公司，研究方向：自动化