摘要： 精確的頻率控制是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測(cè)試的必備手段?；贏D9850可以發(fā)生優(yōu)于1Hz頻率精確度的信號(hào)，這對(duì)于頻率測(cè)試來說至關(guān)重要。本文介紹的這種頻率調(diào)節(jié)器由Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作為控制核心，采用4×4鍵盤作為頻率值輸入設(shè)備。AVR單片機(jī)掃描鍵盤并且讀入用戶設(shè)定的頻率值。隨后，AVR單片機(jī)計(jì)算出AD9850的控制字，并且對(duì)AD9850發(fā)出指令。本文介紹的頻率控制器可以通過“+1Hz”鍵和“–1Hz”鍵微調(diào)頻率值。本文對(duì)頻率控制器擴(kuò)展了液晶顯示模塊，因此當(dāng)前頻率值可以被實(shí)時(shí)顯示。它可以生成方波和正弦波。設(shè)計(jì)中使用了看門狗定時(shí)器防止程序進(jìn)入死循環(huán)而不能正常工作。
1 引言
在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測(cè)試中，我們需要相當(dāng)精確的頻率來幫助判斷設(shè)備性能指標(biāo)。而且我們希望能夠微調(diào)該頻率。采用壓控振蕩器得到的頻率不夠精確，微調(diào)頻率步驟煩瑣，耗時(shí)漫長(zhǎng)，因此有些測(cè)試項(xiàng)目限制了壓控振蕩器的使用。
Mega系列單片機(jī)是Atmel公司于2002年起陸續(xù)推出的。這款A(yù)VR增強(qiáng)型單片機(jī)具有速度快，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了加快AVR單片機(jī)的軟件編制，Atmel以及第三方提供的開發(fā)工具多種多樣，程序開發(fā)方便有效。該單片機(jī)內(nèi)部FLASH結(jié)構(gòu)功能靈活，加鎖后很難解密，可以最大限度地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。AVR單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于通信、野外測(cè)試、汽車電子、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，并且適用于各種低電壓、低功耗的場(chǎng)合。
本文提出一種方法能夠基于AVR單片機(jī)，采用AD9850提供精確到1Hz的頻率信號(hào)，不但可以發(fā)生正弦波，也可以發(fā)生方波，從而為要求頻率精度高的企業(yè)解決了難題。它以Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作為核心，能夠方便、準(zhǔn)確地控制輸出頻率。由于AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了在線可編程，所以大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，同時(shí)不會(huì)燒毀、燒費(fèi)芯片，節(jié)約了成本。
圖1給出了該頻率調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計(jì)框圖。用戶通過4×4鍵盤設(shè)定頻率值，AVR單片機(jī)使用I/O端口，掃描讀入頻率值。隨后AVR單片機(jī)控制AD9850調(diào)節(jié)到用戶要求的頻率。AD9850的輸出可以接電壓比較器整形為方波，也可以經(jīng)過低通濾波器限制帶寬，輸出正弦波形。AVR單片機(jī)同時(shí)控制液晶顯示模塊，使之實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前頻率。
圖1. 頻率調(diào)節(jié)器整體框圖
2 控制核心與頻率發(fā)生技術(shù)
2.1 控制核心
本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作為控制核心。AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是精簡(jiǎn)指令集CPU中的高性能器件。AVR單片機(jī)可以提供高達(dá)16 MIPS的執(zhí)行時(shí)間，具有128K字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器，同時(shí)具備4096字節(jié)的靜態(tài)RAM。AVR單片機(jī)自帶看門狗定時(shí)器，在強(qiáng)烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設(shè)計(jì)中采用的Atmega16L還具有以下特點(diǎn)：
· 內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運(yùn)算速度；I/O端口引腳數(shù)多達(dá)32根；
· 支持在線可編程功能，不需要頻繁從電路板插拔芯片；帶有可編程的支持同步傳輸?shù)腢ART端口；
· 支持三線傳輸SPI端口；具有方便的I2C總線端口，直接與Philips芯片接駁；
· 支持JTAG邊界掃描電路；具有BOD低電壓檢測(cè)功能；
· 內(nèi)部有8路10位的A/D變換器；具有4個(gè)PMW，可以協(xié)同或單獨(dú)工作；
· 內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；工作頻率最高可達(dá)16MHz。
2.2 AD9850頻率發(fā)生技術(shù)
AD9850是AD公司推出的低功耗直接數(shù)字頻率合成器芯片，可以產(chǎn)生從直流到62.5MHz的寬頻率信號(hào)，從投入市場(chǎng)到今天已經(jīng)應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應(yīng)用在高精度測(cè)試中。本設(shè)計(jì)采用了AD9850作為波形發(fā)生器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。
在控制流程中，AVR單片機(jī)為AD9850計(jì)算了頻率控制字，并且將頻率控制字寫入其中。聯(lián)合小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，本設(shè)計(jì)使得頻率可以精確到步長(zhǎng)為1Hz的調(diào)節(jié)。它可以產(chǎn)生方波和正弦波。用戶要求產(chǎn)生正弦波時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了低通濾波器用來濾除信號(hào)的高頻分量。該低通濾波器還可以使用五階橢圓濾波器實(shí)現(xiàn)。圖2示出了本系統(tǒng)的AD9850電路設(shè)計(jì)圖。PC2——PC5可以同時(shí)作為I2C總線端口。
圖2 AD9850電路設(shè)計(jì)
3 輸入設(shè)備與輸出設(shè)備
3.1 鍵盤輸入設(shè)備與相應(yīng)軟件
本設(shè)計(jì)采用了4×4鍵盤作為頻率輸入設(shè)備。由于按鍵個(gè)數(shù)少，只有16個(gè)，需要表示從1Hz — 10MHz的廣泛頻率，故在軟件設(shè)計(jì)中采用了AVR單片機(jī)掃描方式。將端口A的8根I/O引腳全部作為掃描鍵盤使用。鍵盤定義除了0——9共10個(gè)數(shù)字之外，還定義了“退格”鍵、“全刪”鍵、“輸入”鍵、“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，這樣就可以極大地方便用戶隨時(shí)修改頻率和微調(diào)頻率。讀入用戶輸入的頻率值時(shí)，采用了延時(shí)防抖抗干擾的軟件程序。掃描變量的初始值設(shè)置為0xFE，以低電平0依次變化實(shí)現(xiàn)掃描。本單片機(jī)鍵盤掃描的C代碼如下所示：
sccode=0xFE;/*every scan initiative value，11111110*/
while（sccode！=0xEF）/*sccode is not 11101111，follow;or return 0*/
{
PORTA=sccode;/*send scan code 11111110 to portA*/
PORTA=sccode;/*send scan code 11111110 to portA*/
if（（PINA&0xF0）！=0xF0）/*read portA，if high 4 bits are not 1111，key pressed in this line*/
{
recode=（PINA&0xF0）|0x0F;/*portA high 4 bits reserved，low 4 bits are 1111*/
while（（PINA&0xF0）！=0xF0）
{};
/*read portA，if portA high 4 bits are not 1111，key pressed，
if key pressed，we must wait，wait for key released*/
return（（~sccode）+（~recode））;/*return row+column*/
}
else
{
sccode=（sccode<<1）|0x01;
/*scan code left shift 1 bit， add 1 to right，11111101*/
}
}
最終返回的掃描結(jié)果包括按鍵所在的行值和列值。判斷步驟是：先將端口A的高4比特記錄在掃描變量recode中，低4比特置為1111。再次讀入端口A的高4比特，由此判斷按鍵是否松開。用戶還未松開按鍵時(shí)，高4比特當(dāng)中有低電平0存在，此時(shí)只能循環(huán)等待。只有當(dāng)用戶松開按鍵之后，才將高4比特與低4比特進(jìn)行按位反操作，并復(fù)合形成最終返回的掃描結(jié)果。如果沒有檢測(cè)到有按鍵按下，則將掃描變量sccode向左移位1比特，繼續(xù)進(jìn)行下一次掃描。
3.2 液晶顯示模塊
用戶在多次進(jìn)行輸入頻率以及“+1Hz”和“-1Hz”微調(diào)后，專注于觀察信號(hào)輸出對(duì)下一級(jí)電路的影響，往往忘了目前系統(tǒng)的輸出頻率。這樣導(dǎo)致在精確測(cè)試中要求微調(diào)時(shí)也不知該向高調(diào)整還是向低調(diào)整。為了告知用戶系統(tǒng)所處的當(dāng)前頻率，我們擴(kuò)展了液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前頻率在液晶顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示。液晶顯示模塊占用了單片機(jī)Atmega16L的PD0-PD7作為數(shù)據(jù)接口，采用了單片機(jī)的PB0-PB4作為控制端口。圖3給出了液晶顯示模塊與控制器電路設(shè)計(jì)電路圖。
PB0引腳選擇液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或指令存貯器，PB1引腳表明此次操作是讀液晶顯示模塊還是寫液晶顯示模塊，PB2則構(gòu)成上升沿與下降沿完成讀寫時(shí)序。PB3負(fù)責(zé)選中液晶顯示模塊的左半部分，PB4負(fù)責(zé)選中右半部分，通常PB3與PB4都置為1。需要注意的是，在數(shù)據(jù)或指令準(zhǔn)備好了之后，再讓PB2進(jìn)行電平變化，否則讀寫會(huì)出錯(cuò)。
本設(shè)計(jì)借助單片機(jī)Atmega16L的大容量程序存貯器，將英文字母和若干漢字的字型點(diǎn)陣作為數(shù)組存入單片機(jī)的程序存貯器中。需要顯示某字符時(shí)直接調(diào)用數(shù)組，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了英文、漢字以及圖形的顯示。本設(shè)計(jì)顯示界面友好，操作可控性強(qiáng)。
圖3 液晶顯示模塊與控制器電路設(shè)計(jì)
4 結(jié)論
為了方便現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與精確的頻率測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的高精度頻率調(diào)節(jié)器。在本設(shè)計(jì)中，可以使用小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，方便地進(jìn)行頻率精確到1Hz的調(diào)節(jié)。此頻率調(diào)節(jié)器體積小而功能強(qiáng)，由Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega16L作控制核心，用戶可隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)輸出頻率。采用了4×4鍵盤輸入用戶設(shè)定的頻率值，占位小而效率高，編制程序讓AVR單片機(jī)掃描即可得到頻率，省去了專用鍵盤接口芯片8279。液晶顯示模塊可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前頻率，顯示界面友好，操作可控性強(qiáng)。本系統(tǒng)可以產(chǎn)生方波和正弦波。
本設(shè)計(jì)的硬件與軟件均已經(jīng)應(yīng)用在某頻率測(cè)試生產(chǎn)線中。工業(yè)生產(chǎn)與測(cè)試使用表明，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了頻率調(diào)節(jié)過程，用戶使用方便，具有節(jié)電、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、頻率控制精度高速度快的特點(diǎn)。