CN106932640A - 基于fpga的脉冲信号参数测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的脉冲信号参数测量方法及系统，该方法采用FPGA芯片作为主控芯片，利用频率测量法或者周期测量法测量脉冲信号的基本参数，最终通过显示器将脉冲信号参数显示出来。本发明采用低功耗的FPGA芯片作为主控芯片，可以测量脉冲信号的频率、占空比等参数，再通过51单片机控制的液晶显示屏显示出来，能够在测量范围和测量误差方面都很好地满足系统总体的设计要求，且成本较低，功耗低，体积小，方便携带。

Description

基于FPGA的脉冲信号参数测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种信号相关参数的测量方法，具体为一种基于FPGA的脉冲信号参数测量方法及系统。

背景技术

对于信号的测量，频率和占空比是需要测量的最基本参数。在传统的电子测量仪器中，示波器在对脉冲信号进行频率参数测量时，测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量脉冲信号的频率并显示被测脉冲信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测脉冲信号频率的变化。正是由于脉冲信号参数测量仪能够快速准确的捕捉到被测脉冲信号的频率、占空比等参数的变化，具有测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点，所以得到广泛地应用。许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度等，都可以通过传感器转换成信号的频率以及占空比等参数，再用脉冲信号参数测量仪来测量。尤其是将脉冲信号参数测量仪与微处理器(FPGA,DSP，单片机)相结合，可实现测量仪器的多功能化、程控化和智能化。如果产品变得低功耗且可便携，将会有很大的市场经济需求。

在传统的生产制造企业中，脉冲信号参数测量仪被广泛的应用在对生产线的生产测试中其能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用脉冲信号参数测量仪能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，脉冲信号参数测量仪被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，脉冲信号参数测量仪既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

然而，目前这种功能比较齐全，测量精度较高的测量仪器大多是台式的，而在便携式的测量仪器方面，不是功能没有台式的那么完善，就是测量的精度远没有台式的高。如何既满足测量的便携性要求，又能有较齐全的功能和较高的精度，需要比较完善的设计方案。

大部分现有技术都是基于单片机来设计脉冲信号参数测量仪，如：

吴云靖,董恩生,庞宇,等.基于单片机的便携式脉冲信号参数测试仪[J].国外电子测量技术,2009,28(12):47-50.；

刘竹琴,白泽生.一种基于单片机的数字频率计的实现[J].现代电子技术,2010,33(1):90-92.；

受制于单片机本身较低的主频，测量结果的精度不足，且很难测量高达2MHz的脉冲信号，一般为几十KHz。而本作品采用的是单片机+FPGA芯片，通过FPGA芯片的计算来测量脉冲信号的参数，单片机只是用来做显示控制，这种方案虽然成本上稍微高些，但是测量精度较高，且可以测量MHz频段的脉冲信号参数。

也有部分技术基于FPGA设计脉冲信号参数测量仪，如：

胡文静,张国云,刘翔,等.量程自整定高精度频率测量的FPGA实现[J].电子技术应用,2012(1):73-76.

李莉,熊晶.基于CPLD和单片机的等精度数字频率计设计[J].现代电子技术,2015(10):118-120.

屈宝鹏,张喜凤,李想.基于VHDL的高精度数字频率计的设计与实现[J].现代电子技术,2013(18):144-147.

但是有些只是在开发板上进行了测试,给出了系统后仿真波形；有些只是在软件上做了仿真，如CPLD部分的仿真使用Max+PlusⅡ软件,单片机部分的仿真使用Protues软件，或者在QuartusⅡ9.0软件开发环境下进行了仿真。他们都未做出最后的实物，可以将测量得到的脉冲信号参数显示在液晶屏上。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，本专利采用低功耗的FPGA芯片作为主控芯片，可以测量脉冲信号的频率、占空比等参数，再通过51单片机控制的液晶显示屏显示出来，能够在测量范围和测量误差方面都很好地满足系统总体的设计要求，功耗低，体积小，方便携带；且成本较低。

本发明提供的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，该方法采用FPGA芯片作为主控芯片，利用频率测量法或者周期测量法测量脉冲信号的基本参数，最终通过显示器将脉冲信号参数显示出来。

该方法的具体过程为：

步骤一，对所述FPGA芯片的自带时钟，选择合适的时间基准信号，即闸门时间；

步骤二，在闸门时间内对被测信号进行计数，所述计数结果即为被测脉冲信号的频率fO

步骤三，利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；

步骤四，再将所得的频率和占空比数值传出到由单片机控制的液晶显示屏的数据端口显示出来。

所述脉冲信号的基本参数包括频率fO和占空比D。

所述步骤二具体为：

当所述时间基准信号为高电平时，闸门打开，频率计开始对被测信号进行计数。

所述计数值、时钟周期及信号周期的关系具体为：

占空比＝高电平计数*时钟周期/信号周期*100％。

该方法通过对一函数信号发生器设置信号基本参数再与被测信号基本参数进行对比，验证所测得的信号基本参数是否准确。

该方法还用于产生标准矩形脉冲信号，方法为：

根据基准时钟频率，采用锁相环PLL进行分频得到标准矩形脉冲信号。

针对上述方法，本发明还提供基于FPGA的脉冲信号参数测量系统，该系统包括FPGA芯片、函数信号发生器、显示控制器其以及显示设备；

对所述函数信号发生器设置脉冲信号的基本参数，对所述FPGA芯片的自带时钟，选择合适的时间基准信号，即闸门时间，在闸门时间内对被测信号进行计数，所述计数结果即为被测脉冲信号的频率fO；

利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；通过将FPGA芯片测量得到的频率和占空比数据与所述函数信号发生器中的设置参数进行对比，验证测得的参数是否准确；再发送到所述显示控制器，所述显示控制器将所述数据在显示设备上显示出来。

该系统还包括示波器，所述示波器用于产生标准矩形脉冲信号。

所述FPGA芯片选用ALTERA公司Cyclone IV系列的EP3C25Q24C08芯片，外接50MHz有源晶振；

所述显示设备采用12864液晶显示模块，所述显示控制器为单片机；

所述FPGA芯片将IM标准矩形脉冲信号发送至示波器上显示出来。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明在测量信号的频率及占空比时，只需要FPGA芯片、51单片机和12864液晶屏三个模块即可，系统集成度高，重量轻，可以很容易地做成便携式的信号参数测量仪。

指标要求相对一般的信号参数测量仪，在测量频率和占空比的性能指标上较高，测量误差小，并可以测量频率最大2MHz的脉冲信号。

在测量脉冲信号的占空比时，采用高速时钟计数，即将FPGA处理单元自带的时钟进行倍频后作为计数时钟。该方案相对于不采用倍频的方法要精度更高。另外，该方案对FPGA芯片的要求较低，可以使用性能相对比较弱的FPGA芯片，开发成本更低。

在标准矩形脉冲信号发生器设计方面，直接用FPGA分频，实现方法简单，精度高，容易调试。且不需要外接诸如DDS芯片这样的信号发生电路，节约了硬件成本。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明基于FPGA的脉冲信号参数测量系统示意图；

图2为频率测量法原理图；

图3为周期测量法原理图。

具体实施方式

本发明的实施提供一种基于FPGA的脉冲信号参数测量方法及系统，为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

1、本实施例关于主控芯片方案的选择

方案一：选择FPGA作为主控芯片，FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展出来的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。以硬件描述语言(Verilog或VHDL语言)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速地烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂的组合功能，比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件，例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。

方案二：选择ARM公司的高性能STM32系列微处理器，STM32系列微处理器有一流的外设，拥有12位的ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度，而且它的功耗比较低，在72MHz时会消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA的功耗。另外STM32系列微处理器有优异的安全时钟模式和带唤醒功能的低功耗模式。总之，STM32系列微处理器是一款性能优异的微处理器，可是STM32系列微处理器的成本较高，开发程序复杂，不适合初学者使用。

综上所述，该方案选用方案一的FPGA芯片作为主控芯片。其与单片机以及显示屏的接线情况如下表所示：

表1、FPGA、单片机和显示屏的接线示意表

2、频率测量方案的选择

方案一、如图2所示的频率测量法：在一定的时间间隔T内，对输入的待测信号脉冲计数为N，则信号的频率为f＝N/T。这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，则相对误差越小。其原理如下图所示。但在这种测量方法中由于闸门信号与被测信号不同步，会出现±1个被测信号脉冲个数的误差。当被测信号频率较低时，这种测量误差将导致测量精度大幅下降。

利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；所述脉冲信号的基本参数包括频率fO和占空比D。

方案二、如图3所示的周期测量法：该方法是通过计量在被测信号一个周期内频率为fO的标准信号的脉冲数N来测量被测信号的频率，f＝fO/N。若被测信号的周期越长(频率越低)，测得的标准信号的脉冲数N越大，则相对误差越小。其原理如下图所示。当频率增大时，由于被测信号的测量周期较短，根据周期测量法的测频原理可知其测量精度将大幅下降。

利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；所述脉冲信号的基本参数包括频率fO和占空比D。

综上所述，本设计在低频测量时选择方案二，高频测量时选择方案一。

3单片机控制显示模块的选择

方案一：选择数码管作为显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示)；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。数码管成本较低，电路简单，显示起来也非常方便。但是数码管只能显示数字，使用范围有限。

方案二：选择1602液晶作为显示，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602液晶只能显示两行，且每行只有16个字符，使用范围也是有限。

方案三：选择12864液晶模块作为显示，12864液晶模块是我们常用的液晶显示模块，它价格低廉，使用方便，我们只需对应它的数据手册找到相应的引脚与单片机连接，输入程序，就可以完美的进行显示。它有丰富的字库，也可以完成图形显示，而且只需要在写指令时写入相对应的地址即可。

综上所述，该方案选用12864液晶模块作为显示模块。

三、系统组成

如图1所示，本专利采用低功耗的FPGA芯片作为主控芯片，可以测量脉冲信号的频率、占空比等参数，再通过51单片机控制的液晶显示屏显示出来，能够在测量范围和测量误差方面都很好地满足系统总体的设计要求，并且同时外加了脉冲信号发生器的功能，最终制作成便携式的信号参数测量仪。

系统结构

关键技术：测量脉冲信号频率fO和脉冲信号占空比D

利用FPGA芯片内部自带的时钟，通过分频时钟、闸门控制电路和计数器的复合使用，选择合适的时间基准信号,即闸门时间,然后在闸门时间内对被测量信号进行计数,时间基准信号为高电平时,闸门打开,频率计开始对被测信号进行计数。计数结果即为被测脉冲信号的频率fO。

利用高电平计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D(占空比＝高电平计数*时钟周期/信号周期*100％)。

接着再将所得的频率和占空比数值传出到由51单片机控制的液晶显示屏12864的数据端口，显示出被测脉冲信号的频率fO和占空比D。

本实施例还用于产生一个标准矩形脉冲信号

根据基准时钟频率50Mhz，采用锁相环(PLL)进行了1/50分频得到1MHz的标准矩形脉冲信号。

主要技术指标：

1.可测量脉冲信号频率fO，频率范围为10Hz～2MHz，测量误差的绝对值不大于1％。

2.可测量脉冲信号占空比D，测量范围为10％～90％，测量误差的绝对值不大于2％。

3.可提供一个标准矩形脉冲信号发生器，要求：

a)频率fO为1MHz，误差的绝对值不大于0.1％；

b)脉宽tw为100ns，误差的绝对值不大于1％；

1系统硬件：

FPGA主芯片选用ALTERA公司Cyclone IV系列的EP3C25Q24C08芯片,串行配置器件为EPCS16，外接50MHz有源晶振。

单片机主芯片选用STC89C52单片机。

液晶显示部分采用12864液晶显示模块。

2软件部分

FPGA部分参考代码：

3.系统IO接口配置及连接

*FPGA主机模块的接口定义如下：

clk_1M接PIN219 IO,DIFFIO_T10p,(DATA4),(DQ5T)

clk_50M接PIN209 CLK

rise接PIN238 IO,DIFFIO_T1p

sin接PIN232 IO,DIFFIO_T5n,(DATA7)

tx232接PIN226

IO,(DATA5),(DQ5T)

*MCS51单片机模块的接口定义如下：

P3.0接口接DYM004-FPGA主机的PIN226(tx232)

*12864液晶显示模块与DYM001-MCS51主机的接口定义如下：

其中：

FPGA主机模块的PIN219口可产生频率为1MHz的标准脉冲信号，可接示波器的CH1口来验证其正确性。

FPGA主机模块的PIN232口和GND接函数信号发生器的TTL/CMOS口。函数信号发生器输出脉冲信号，其通过FPGA主机模块测量得到的频率和占空比则可以在12864液晶显示模块上显示出来。

函数信号发生器给脉冲信号参数测量系统提供被测脉冲信号，通过该测量系统可测量出该被测信号的频率，占空比等参数，然后与函数信号发生器设置的参数做对比，以此来验证该脉冲信号测量系统测量脉冲信号参数方面的正确性，其中，可以测量最大频率达2MHz的脉冲信号。

另外，测量系统设定端口产生的1MHz标准矩形脉冲信号可以通过示波器来验证其信号波形是否为标准矩形，以此来验证该脉冲信号测量系统产生标准矩形脉冲信号方面的正确性。1MHz标准矩形脉冲信号的。

Claims (10)

1.基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，该方法采用FPGA芯片作为主控芯片，利用频率测量法或者周期测量法测量脉冲信号的基本参数，最终通过显示器将脉冲信号参数显示出来。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

步骤一，对所述FPGA芯片的自带时钟，选择合适的时间基准信号，即闸门时间；

步骤二，在闸门时间内对被测信号进行计数，所述计数结果即为被测脉冲信号的频率fO；

步骤三，利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；

步骤四，再将所得的频率和占空比数值传出到由单片机控制的液晶显示屏的数据端口显示出来。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，所述脉冲信号的基本参数包括频率fO和占空比D。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

当所述时间基准信号为高电平时，闸门打开，频率计开始对被测信号进行计数。

5.根据权利要求2所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，所述计数值、时钟周期及信号周期的关系具体为：

占空比＝高电平计数*时钟周期/信号周期*100％。

6.根据权利要求2所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，该方法通过对一函数信号发生器设置信号基本参数再与被测信号基本参数进行对比，验证所测得的信号基本参数是否准确。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量方法，其特征在于，该方法还用于产生标准矩形脉冲信号，方法为：

根据基准时钟频率，采用锁相环PLL进行分频得到标准矩形脉冲信号。

8.基于FPGA的脉冲信号参数测量系统，其特征在于，该系统包括FPGA芯片、函数信号发生器、显示控制器其以及显示设备；

对所述函数信号发生器设置脉冲信号的基本参数，对所述FPGA芯片的自带时钟，选择合适的时间基准信号，即闸门时间，在闸门时间内对被测信号进行计数，所述计数结果即为被测脉冲信号的频率fO；

利用计数值、时钟周期及信号周期的关系，得到被测脉冲信号的占空比D；通过将FPGA芯片测量得到的频率和占空比数据与所述函数信号发生器中的设置参数进行对比，验证测得的参数是否准确；再发送到所述显示控制器，所述显示控制器将所述数据在显示设备上显示出来。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量系统，其特征在于，该系统还包括示波器，所述示波器用于产生标准矩形脉冲信号。

10.根据权利要求8所述的基于FPGA的脉冲信号参数测量系统，其特征在于，所述FPGA芯片选用ALTERA公司Cyclone IV系列的EP3C25Q24C08芯片，外接50MHz有源晶振；

所述显示设备采用12864液晶显示模块，所述显示控制器为单片机；

所述FPGA芯片将IM标准矩形脉冲信号发送至示波器上显示出来。