1、簡易多功能計數(shù)器萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院 于 彬 王曉波 屈曉娟目錄摘要.,.3關(guān)鍵字.3一方案論證與選擇.31方案比較.32設(shè)計方案.3二系統(tǒng)的具體設(shè)計與實(shí)現(xiàn).3系統(tǒng)的硬件設(shè)計.3（一）、電源輸出模塊.3（二）、信號調(diào)理模塊.4（三）、信號頻率/周期測量模塊.4（四）、ATmega64單片機(jī).5（五）、語音模塊.5（六）、溫度模塊和時鐘模塊.6（七）、鍵盤和顯示模塊.6三系統(tǒng)流程圖.6主程序的流程圖.6四系統(tǒng)測試.61、 調(diào)試與測試所用儀器.72、 測試數(shù)據(jù).73、 結(jié)果分析.7五總結(jié).7參考文獻(xiàn).8摘 要：該簡易多功能計數(shù)器以Atmega64和ALTERA MAX II CPLD技術(shù)為核心，由信號

2、整形模塊、CPLD微處理模塊、語音模塊、液晶顯示模塊、信號測量模塊、以及功能切換模塊組成。采用AD8611對輸入信號的整形，CPLD進(jìn)行測頻以及結(jié)果的運(yùn)算，采用AD采樣原理對信號峰值的測量，最終將結(jié)果送入Atmega64中進(jìn)行結(jié)果的顯示以及功能的切換和語音播放等?？傊肅PLD處理信號，Atmega64實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和人機(jī)交互，通過數(shù)碼管顯示測量結(jié)果并通過語音播報測量數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：Atmega64，CPLD，多功能計數(shù)器，語音播放，數(shù)碼管一、方案論證與選擇1、方案比較方案一：采用S51+邏輯門電路方案。由于S51工作頻率低，利用其內(nèi)部的計數(shù)器不能直接測量高頻信號，所以必須外擴(kuò)大量的邏輯門電路

3、。電路制作麻煩，不便保證測量精度。方案二：直接采用AVR+Altera CPLD方案。AVR單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，工作速度快，開發(fā)簡便，同時用CPLD代替普通的邏輯門電路，省去了復(fù)雜的連線，工作速度快，能保證測量精度。2、設(shè)計方案經(jīng)過仔細(xì)的分析最終確定選方案二作為本設(shè)計的整體方案：以AVR單片機(jī)Atmega64和Altera CPLD MAXII EPM570為中心，進(jìn)行該設(shè)計題目：其中單片機(jī)ATMEGA64用于按鍵控制、溫度測量、時鐘提取、顯示控制、語音播放。EPM570用于實(shí)現(xiàn)輸入信號的頻率/周期測量。利用CPLD的強(qiáng)大的邏輯處理能力，保證了頻率/周期測量結(jié)果的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。信號調(diào)理電路采用高

4、速比較器AD8611對輸入的信號進(jìn)行整形，然后送CPLD進(jìn)行頻率/周期測量，確保了測量精度。語音播放模塊可以對測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時播報。數(shù)字顯示模塊采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。EPM570通過I/O口與Atmega64通信后將數(shù)據(jù)傳給Atmega64，通過選擇Atmega64再將其結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出顯示以及語音播放。另外通過外圍電路（如鍵盤電路）可以對其功能進(jìn)行選擇以及時間、溫度等的顯示。系統(tǒng)構(gòu)成參見圖1：圖1 簡易多功能計數(shù)器系統(tǒng)框圖二、系統(tǒng)電路設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計：（一）、電源輸出模塊原理圖如圖2所示：圖2電源原理框圖220伏50HZ的市電經(jīng)過變壓器之后產(chǎn)生12伏左右的交流電，又經(jīng)過整流橋之后輸出

5、直流電，電容C1和C2濾除了其中的交流成分，經(jīng)過穩(wěn)壓管之后，輸出幅度比較穩(wěn)定15伏左右的直流電。L7805,L7812,以及L7912是三態(tài)穩(wěn)壓器，只要給他們大于一定電壓的電壓值（小于最大輸入電壓）他們就可以分別輸出+5伏，+12伏和-12伏的電壓。（二）、信號調(diào)理模塊原理圖如圖3所示：圖3 方波整形原理圖使用方波整形是為了產(chǎn)生計數(shù)信號，是為后續(xù)的VHDL計數(shù)、測頻工作做準(zhǔn)備的。 AD8611是高速比較器，100MHz信號輸入，單/雙路4nS傳輸延遲，具有鎖存和互補(bǔ)輸出功能。AD8611對很寬的頻率范圍的輸入波形都有良好的整形效果。AD8611能夠在低頻和高頻都能產(chǎn)生波形比較正確的方波，能夠滿

6、足設(shè)計的要求，因此，在此系統(tǒng)中采用了AD8611作為電壓比較器的核心。（三）、信號頻率/周期測量模塊采用ALTERA 的CPLD EPM570對輸入信號進(jìn)行測量。CPLD的基本特點(diǎn)主要有：核心電壓3.3 V、144 引腳( 其中116 個GPIO) 的EPM570T144C5 作為實(shí)現(xiàn)控制電路的CPLD。EPM570T144C5內(nèi)部有570個邏輯單元( Logic Element)，相當(dāng)于440個宏單元(Macrocell)。EPM570T144C5 內(nèi)部分為兩個I/O bank, 共116 個通用I/O, 引腳延時為8.8ns, 滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。具體測量方法如圖4所示：輸入信號經(jīng)過AD8

7、611整形后，送到CPLD進(jìn)行測量。首先進(jìn)行判斷，頻率大于1KHZ測頻，方法是通過精確定時1秒鐘，進(jìn)行測頻，測量精度大于0.1%。低于1000Hz采用周期測量法，因?yàn)椴捎?5MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，測周的精度大于0.1%。滿足了題目要求。具體的讀取方法如圖4所示。時間間隔TxNT1T2待測脈沖量化時鐘M圖4 頻率/周期測量量化時鐘頻率為 ，對應(yīng)的周期 ，在待測脈沖上升沿計數(shù)器輸出計數(shù)脈沖個數(shù) ， ， 為待測脈沖上升沿與下一個量化時鐘脈沖上升沿之間的時間間隔，則待測脈沖時間間隔 為： （四）、ATmega64單片機(jī)ATmega64是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先

8、進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。具有2K 字節(jié)EEPROM，對本設(shè)計的記憶功能有很大的幫助。本設(shè)計中用CPLD來測量頻率/周期，然后將結(jié)果送到ATMEGA64 進(jìn)行顯示，保存。M64作為控制中心，對鍵盤、顯示、以及記憶的讀取、計數(shù)值得讀取等進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。（五）、語音模塊圖5 單片機(jī)和語音模塊的接口語音模塊采用BMP5008系列多段語音錄放板。BMP5008系列多段語音錄放板采用了上海奔流電子有限公司全新設(shè)計的專用錄音控制MCU外加SPI接口FLASH的全新設(shè)計思路，通過外掛不同

9、容量的FLASH，可以獲得從30秒32分鐘的錄音容量。有8KHZ和12KHZ兩種采樣頻率用戶可選；錄音信息掉電不會丟失。板上自帶MIC/LINE IN線路輸入口，可外接多種音源錄音。板上自帶穩(wěn)壓電路，支持5V6V電壓直接輸入；主芯片自帶0.5w功放；用戶可自由定義6個I/O口的觸發(fā)功能為單端發(fā)放音還是63段（8421并行編碼）地址選段放音。如圖5所示。（六）、溫度模塊 和時鐘模塊圖6溫度和時鐘模塊溫度測量：采用單總線溫度傳感器DS18B20，連線簡單，測量結(jié)果準(zhǔn)確。時鐘測量：采用時鐘芯片DS1302進(jìn)行時間測量和顯示。（七）、鍵盤和顯示模塊1、鍵盤：采用6個獨(dú)立按鍵，分別控制如圖7所示，6種功

10、能：溫度/時間切換、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回顯、頻率/周期切換和語音播放。2、顯示模塊：包括12個數(shù)碼管和4個LED小燈。12個數(shù)碼管分成8個和4個兩組。8個數(shù)碼管用于顯示頻率/周期測量值，4個數(shù)碼管顯示時間和溫度。4個LED發(fā)光管用于指示測量單位。具體連線如圖7所示圖7 鍵盤及顯示模塊三、系統(tǒng)的流程圖主程序的流程圖如下圖：圖8 流程圖四、系統(tǒng)測試1、調(diào)試與測試所用儀器(1)數(shù)字萬用表(2)數(shù)字示波器(3)信號發(fā)生器Agilent33120A2、測試數(shù)據(jù)表1 周期頻率數(shù)據(jù)測量標(biāo)稱頻率HZ頻率測量 HZ周期測量 us平均頻率平均周期誤差第一次第二次第一次第二次HZus0.10.1010.10299009

11、00.9909803921.5680.1029852216.7480.02109.5719.86210448.25310139.2719.71510293.2620.0251K1000999100.000100.001999.5100.0010.0001500K4999304999252.00012.00014999272.0010.00011M9999849999851.00011.00019999841.0000.00015M499992149999202.00002.OOOO49999212.0000.000110M999984199999721.00001.0000999990610.

12、0000.00013、結(jié)果分析經(jīng)過分析，在高頻端數(shù)據(jù)的精度完全符合要求，甚至高于所求的精度，但在低頻段剛剛滿足設(shè)計的要求。該多功能計數(shù)器實(shí)現(xiàn)了頻率/周期測量，測量結(jié)果達(dá)到了題目要求。發(fā)揮部分完全實(shí)現(xiàn)。能語音報數(shù)、能測量溫度、采集時間，能保存數(shù)據(jù)，能顯示歷史數(shù)據(jù)。五、總結(jié)該簡易多功能計數(shù)器以Atmega64和ALTERA MAX II CPLD技術(shù)為核心完成了題目基本部分和發(fā)揮部分的全部內(nèi)容，在完成的項目中大部分指標(biāo)都優(yōu)于題目的要求，個別指標(biāo)由于時間有限做得不是非常完善。本系統(tǒng)的測試運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。通過這次大學(xué)生電子設(shè)計大賽，讓我們感受了實(shí)踐出成果的喜悅，也深深的體會到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。這次設(shè)計競賽不僅鍛煉了我們的動手能力，增強(qiáng)我們的實(shí)踐意識，還激發(fā)了我們的創(chuàng)新思維；不僅提高了我們的團(tuán)隊合作精神，還培養(yǎng)了我們克服困難和吃苦耐勞的精神；所有這些無不激發(fā)著我們?nèi)ゲ粩嘧非?、不斷?chuàng)新。最后再次感謝大賽組委會和我們辛勤的老師！參考文獻(xiàn)：（1）AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo) 清華大學(xué)出版社（2）黃任.AVR單片