CN204649842U - 一种能够利用上位机进行测量控制的cpld数字频率计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数字频率计，包括单片机，第一CPLD控制器和第二CPLD控制器；单片机通过SPI串行通信接口与第一CPLD控制器实现电连接，单片机通过SPI串行通信接口与第二CPLD控制器实现电连接，第一CPLD控制器包括第一可控计数器单元和第一并串转换单元，第一可控计数器单元的计数时钟端为被第一测信号输入端；第二CPLD控制器包括第二可控计数器单元，可控分频单元，第二并串转换单元和串并转换单元，第二可控计数器单元的计数使能端为第二被测信号输入端。本实用新型具有工作稳定性强，测量精度高，调试容易，可测频率范围宽，测量效率高，操作灵活的优点。

Description

一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数字频率计

技术领域

本实用新型涉及一种数字频率计，具体是一种采用CPLD控制器进行频率计数，并且能够利用上位机进行测量控制的频率计，属于测控技术领域。

背景技术

在电子工程、资源勘探、仪器仪表等相关应用中，频率测量使用非常普遍，数字频率计也是工程技术人员必不可少的测量工具。

现有技术中数字频率计的设计通常存在两种不同的硬件架构：以单片机为核心芯片进行测量，或者以可编程逻辑器件为核心进行测量。以为单片机为核心进行测量，由于单片机在逻辑运算、智能控制方面，具有较好的特性，因此系统软硬件设计都较简单，调试容易，但是由于单片机工作可靠性低，某些情况下瞬间的复位也会造成严重后果，因此系统测量稳定性不高，测量精度的提高受限。

目前，采用较多的方案还是以可编程逻辑器件，也就是CPLD或者FPGA为控制核心实现测量，这种方式虽然系统工作稳定性高，测量精度高，但是采用CPLD进行测控也存在弊端：主要是CPLD在智能控制方面不够灵活，这就导致CPLD内部逻辑设计复杂度高，除了需要设计常规的计数单元外还需要设计测频控制模块，锁存器，显示译码等模块，特别是对测频控制模块的设计要求较高，因此增大了设计难度。

再者，数字频率计的测量原理通常分为两种：测频法和测周期法。

测频法就是在确定的闸门时间Tg内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，则被测信号的频率为：fx＝Nx/Tg。测周期法需要有标准信号的 频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs/Ns。这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。

为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法，对于高频信号采用测频法。这就造成测量范围受限，无论基于哪种原理进行设计所得的频率计应用范围都将受限，设备通用性差。

此外，现有技术中的数字频率计测量参数的设置和测量结果的显示在应用灵活量与便利性上尚有较大欠缺，这主要体现在普遍是依赖与单片机或者CPLD直接通信的独立按键输入，测量结果的显示也是依赖LCD显示屏完成，测量结果也不能方便的进行存储分析，这对于测量次数较多的频率测量来说测量效率和操作灵活性都不高。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种系统工作稳定性强，测量精度高，调试容易，可测频率范围宽，并且测量效率高，操作灵活的基于频率测量法的CPLD频率计。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数字频率计，其特征在于：包括单片机，第一CPLD控制器和第二CPLD控制器；

所述单片机通过SPI串行通信接口与第一CPLD控制器实现电连接，连接线记为：第一从设备数据输入线SDI1，第一从设备数据输出线SDO1，第一时钟信号线SCLK1，第一从设备使能信号线CS1；

所述单片机通过SPI串行通信接口与第二CPLD控制器实现电连接，连接线记为：第二从设备数据输入线SDI2，第二从设备数据输出线SDO2，第二时钟信号线SCLK2，第二从设备使能信号线CS2；

所述单片机通过串口与计算机相连接；

所述第一CPLD控制器包括第一可控计数器单元和第一并串转换单元，所述第一可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端，所述第一可控计数器单元的计数使能端与所述第一从设备数据输入线SDI1相连接，所述第一可控计数器单元的计数时钟端为第一被测信号输入端，所述第一可控计数器单元的计数输出端与第一并串转换单元的输入端相连接，第一并串转换单元的输出端与第一从设备数据输出线SDO1相连接；

所述第二CPLD控制器包括第二可控计数器单元，可控分频单元，第二并串转换单元和串并转换单元，所述第二可控计数器单元的计数使能端为第二被测信号输入端，所述第二可控计数器单元的计数时钟端与可控分频单元的信号输出端相连接，可控分频单元的信号输入端与第二CPLD控制器内部工作时钟信号端相连接，可控分频单元的分频系数控制端与串并转换单元的输出端相连接，串并转换单元的输入端与所述第二从设备数据输入线SDI2相连接，所述第二可控计数器单元的计数输出端与第二并串转换单元的输入端相连接，第二并串转换单元的输出端与第二从设备数据输出线SDO2相连接。

进一步的，所述第一CPLD控制器和第二CPLD控制器均为EPM7032S芯片。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：本实用新型中，单片机和两块CPLD控制器之间采用SPI串行通信接口进行电连接，实现了：单片机与第一CPLD控制器之间的通信、单片机与第二CPLD控制器之间的通信。

因此，单片机作为主设备可以通过从设备数据输入线SDI向可控计数器单元的计数使能端发送闸门时间信号，而内部计数测量则由CPLD利用其丰富的内部数字逻辑资源实现，由于是纯数字电路硬件实现，工作状况稳定，CPLD内部计数输出值通过从设备数据输出线SDO传输至单片机，单片机将数据通过串口传送给上位机计算机进行显示，存储于分析，这就又充分利用了单片机在智能运算方面的优势并且使得设备整体应用灵活性和便利性得到了提 升，因此与现有技术中以单一的CPLD或者FPGA为控制核心实现测量，内部逻辑设计复杂，调试困难的现状相比，本实用新型具有设计难度小，调试容易并且测量效率高，操作灵活的优点。

而与现有技术中采用单一的单片机作为核心进行测量，由于单片机系统本身特性决定了系统工作稳定性相对纯硬件电路差的状况相比，本实用新型具有系统工作稳定性强，测量精度高的优点。

此外，本实用新型采用两片CPLD控制器分别在其内部基于频率测量法和周期测量法设计了数字逻辑电路，一般对于低频信号采用测周期法，则被测信号接入第二被测信号输入端，由第二CPLD控制器进行频率测量，对于高频信号采用测频法，被测信号接入第一被测信号输入端，由第一CPLD控制器进行频率测量，这就提高了可测频率范围宽，与现有技术中单一的采用测频法或者测周期法进行电路设计的方案相比，本实用新型具有设备通用性强的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新型一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数字频率计采用如下硬件构架，本实用新型频率计包括：单片机和两片CPLD控制器，单片机通过SPI串行通信接口与两片CPLD控制器分别实现电连接。也即是单片机与第一CPLD控制器和第二CPLD控制器之间均是SPI串行通信。实现上述通信连接的基础是：单片机作为一种智能控制芯片可以模拟SPI控制时 序，今而实现单片机SPI总线向CPLD控制器发送数据和命令来控制CPLD内部数字逻辑单元，具体电路连接关系是：单片机的第一输入输出口与CPLD控制器的第一输入输出口相连接，连接线为从设备数据输入线SDI；单片机的第二输入输出口与CPLD控制器的第二输入输出口相连接，连接线为从设备数据输出线SDO；单片机的第三输入输出口与CPLD控制器的第三输入输出口相连接，连接线为时钟信号线SCLK；单片机的第四输入输出口与CPLD控制器的第四输入输出口相连接，连接线为从设备使能信号线CS。

那么单片机通过SPI串行通信接口与第一CPLD控制器实现电连接，连接线则记为：第一从设备数据输入线SDI1，第一从设备数据输出线SDO1，第一时钟信号线SCLK1，第一从设备使能信号线CS1；单片机通过SPI串行通信接口与第二CPLD控制器实现电连接，连接线记为：第二从设备数据输入线SDI2，第二从设备数据输出线SDO2，第二时钟信号线SCLK2，第二从设备使能信号线CS2。

总之单片机的四个输入输出口与CPLD控制器的四个输入输出口分别对应相连接，由单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD控制器之间的SPI通信接口，从而完成两者之间数据的传输。

具体的单片机可选用MCS51系列，两片CPLD控制器均可采用EPM7032S型CPLD控制器实现。而CPLD控制器内部数字逻辑电路的电路连接关系是：第一CPLD控制器内部电路结构是：包括第一可控计数器单元和第一并串转换单元，第一可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端，第一可控计数器单元的计数使能端与第一从设备数据输入线SDI1相连接，第一可控计数器单元的计数时钟端为第一被测信号输入端，第一可控计数器单元的计数输出端与第一并串转换单元的输入端相连接，第一并串转换单元的输出端与第一从设备数据输出线SDO1相连接；

第二CPLD控制器内部电路结构是：包括第二可控计数器单元，可控分频单元，第二并串转换单元和串并转换单元，第二可控计数器单元的计数使 能端为第二被测信号输入端，第二可控计数器单元的计数时钟端与可控分频单元的信号输出端相连接，可控分频单元的信号输入端与第二CPLD控制器内部工作时钟信号端相连接，可控分频单元的分频系数控制端与串并转换单元的输出端相连接，串并转换单元的输入端与第二从设备数据输入线SDI2相连接，第二可控计数器单元的计数输出端与第二并串转换单元的输入端相连接，第二并串转换单元的输出端与第二从设备数据输出线SDO2相连接。

具体的可控计数单元可以利用原理图设计方式调用计数器模块实现。而并串转换单元具体的可以调用8个带有置位端的寄存器(调用8个寄存器是以并行输入端数据宽度为1个字节为例)，将此8个带有置位端的寄存器首尾串联，也即是第一个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第二个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接，第二个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第三个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接，直至第七个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第八个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接；第八个带有置位端的寄存器的数据输出Q端即是并串转换单元的输出端，而八个带有置位端的寄存器的置位端即是并串转换单元的输入端，八个带有置位端的寄存器的时钟端连接在一起(以上设计是采用CPLD设计中的原理图设计方式实现的)。类似而显见的，串并转换单元只是把并串转换单元的输入端作为输出端，输出端作为输入端即可。

本实用新型的工作原理是：首先介绍单片机如何实现与CPLD之间的通信控制，然后阐述二者如何配合发挥各自优势实现测量。

单片机与CPLD之间的通信控制：单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD控制器之间的SPI通信接口，这种通信方式至少具有根4线(只需要单向通信时3根线也可实现)，具体的分别是：1、从设备数据输入线SDI，也是主设备数据输出线；2、从设备数据输出线SDO，也是主设备数据输入线；3、时钟信号线SCLK，时钟信号由主设备产生；4、从设备使能信号线CS。

主设备和从设备之间进行同步串行数据传输，在主设备的移位脉冲下，数 据按位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，简单高效。

在本实用新型中单片机为主设备，CPLD为从设备，CPLD在接收到单片机的数据后可以首先暂存，然后用于CPLD内部数字逻辑单元的控制或者数据输入。

一方面，EPM7032S芯片有36个I/O口，除去用于和单片机通信的4个端口，还有32个端口可以使用，这足可满足大部分对于端口扩展设计的需求；

另一方面CPLD为大规模可编程数字集成电路，内部具有大量数字逻辑单元，通过硬件描述语言或者原理图调用设计均可实现复杂稳定的数字逻辑，从而为整个系统提供高速、稳定的硬件基础。

此外，关于工作时钟可采用如下方案解决：利用外部时钟电路为CPLD控制器提供工作时钟，CPLD控制器内部工作时钟信号经过CPLD内部分频模块分频后提供给单片机作为工作时钟使用，这样就可以进一步简化电路设计。

具体测量的实现：第一CPLD控制器的测量原理是：测频法就是在确定的闸门时间Tg内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，则被测信号的频率为：fx＝Nx/Tg。本实用新型中第一可控计数器单元的计数使能端与从设备数据输入线SDI相连接，因此单片机作为主设备发送闸门时间信号，当然该数据是由上位机通过串口传送给单片机的，因此上位机便可对测量的参数进行控制(闸门时间为Tg，也即是一个高电平时长为Tg的一个数字信号)给第一可控计数器单元的计数使能端，第一可控计数器单元的计数时钟端为被测信号输入端，因此被测信号作为计数时钟被第一可控计数器单元计数，闸门时间内被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx从第一可控计数器单元的计数输出端输出，被第一并串转换电路转换为串行信号，通过第一从设备数据输出线SDO1发送至单片机这一主设备。

第二CPLD控制器的测量原理是：测量的基本原理是：测周期法需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准信号的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs/Ns。本实用新型中单片机作为主设备可以通 过从设备数据输入线SDI向第二CPLD控制器的内部可控分频单元的分频系数控制端发送分频系数控制信号，该分频系数数据是由上位机通过串口传送给单片机的，因此上位机便可对测量的参数进行控制，第二CPLD控制器内部可控分频单元以第二CPLD控制器内部工作时钟信号为分频对象得到合适频率的标准信号(该标准信号频率可根据被测信号频率设定，单片机可根据初步测得的被测信号频率对标准信号频率进行调整，尽量使得一个被测信号周期内包含的标准信号周期数不要太多)，该标准信号作为第二可控计数器单元的计数时钟信号，而被测信号则作为第二可控计数器单元的计数使能端信号，那么显然的，若标准信号的频率fs，在被测信号的一个周期Tx内，可控计数单元记录标准信号的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs/Ns，事实上将被测信号作为第二可控计数器单元的计数使能端信号，该使能端口高电平有效，那么可控计数单元只会在被测信号的高电平内进行计数，因此实际被测信号的频率是可控计数单元在被测信号的高电平内进行计数得到计数值的两倍，当然这些折算工作都可由单片机来完成。

具体的第二可控计数器单元的计数输出端输出可控计数单元在被测信号的高电平内进行计数得到计数值，被并串转换电路转换为串行信号，通过从设备数据输出线SDO发送至单片机这一主设备。

单片机将从两片CPLD控制器得到的数据通过串口传输至上位机进行显示处理，因此纯CPLD频率计中的测频控制模块和数据转换模块便由单片机这一强大的智能控制芯片代替，系统的设计难度降低，测量精度却没有受到影响。

本实用新型使用时候只需要根据被测信号情况选择从第一被测信号输入端或者第二被测信号输入端接入被测信号即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数字频率计，其特征在于：包括单片机，第一CPLD控制器和第二CPLD控制器；

所述单片机通过SPI串行通信接口与第一CPLD控制器实现电连接，连接线记为：第一从设备数据输入线SDI1，第一从设备数据输出线SDO1，第一时钟信号线SCLK1，第一从设备使能信号线CS1；

所述单片机通过SPI串行通信接口与第二CPLD控制器实现电连接，连接线记为：第二从设备数据输入线SDI2，第二从设备数据输出线SDO2，第二时钟信号线SCLK2，第二从设备使能信号线CS2；

所述单片机通过串口与计算机相连接；

所述第一CPLD控制器包括第一可控计数器单元和第一并串转换单元，所述第一可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端，所述第一可控计数器单元的计数使能端与所述第一从设备数据输入线SDI1相连接，所述第一可控计数器单元的计数时钟端为第一被测信号输入端，所述第一可控计数器单元的计数输出端与第一并串转换单元的输入端相连接，第一并串转换单元的输出端与第一从设备数据输出线SDO1相连接；

所述第二CPLD控制器包括第二可控计数器单元，可控分频单元，第二并串转换单元和串并转换单元，所述第二可控计数器单元的计数使能端为第二被测信号输入端，所述第二可控计数器单元的计数时钟端与可控分频单元的信号输出端相连接，可控分频单元的信号输入端与第二CPLD控制器内部工作时钟信号端相连接，可控分频单元的分频系数控制端与串并转换单元的输出端相连接，串并转换单元的输入端与所述第二从设备数据输入线SDI2相连接，所述第二可控计数器单元的计数输出端与第二并串转换单元的输入端相连接，第二并串转换单元的输出端与第二从设备数据输出线SDO2相连接。

2.根据权利要求1所述的一种能够利用上位机进行测量控制的CPLD数 字频率计，其特征在于，所述第一CPLD控制器和第二CPLD控制器均为EPM7032S芯片。