小探基于AT89C2051单片机的频率信号采集与传输系统

1．引言

频率计的出现使测量电信号的频率成为可能，传感器的出现使得频率计的应用范围迅速扩大。随之而来的就是不同应用领域对频率计的要求产生了巨大的差别。为了应对这些突如其来问题，人们投入了大量的研究。然而，在很多应用环境中，不仅要对频率进行准确的测定，还需要将测量所得结果交由其它设备以便于进行后期的处理和控制，即要解决与其它设备的通信问题。本文就是要设计一个这样的系统能将信号地采集与传输功能融为一体，不仅要使二合一电路在硬件上得到精简，更要在软件上实现这两个功能模块的完美搭接。更重要的是实现上位机对下位机的控制功能，即实现PC机对测量信号来源的统筹管理。总而言之，本设计就是为了将过去处于分离状态的各功能模块组成一个完整的系统。

2．频率信号采集与传输原理

2.1 频率信号采集的基本原理

所谓采集实际上就是对输入进来的某种物理信号做特定的处理，本设计所需处理的信号是V-F电压频率信号，采集的实际意义则是测量出频率的大小。在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率在对其他许多电参量进行测量时都有占有十分重要的地位。实际测量系统中经常采用电压—频率转换、电流—频率转换等电路，都是通过测量频率达到测量其他电参量目的的实例。因此，频率的测量就显得尤为重要。信号采集可以简单的理解为利用微控制器实现对信号的频率的测量。

频率信号采集所需的接口简单，占用资源少，一般它只占用一个计数器接口或者一个外部中断源输入接口，即利用计数器计数或是中断服务程序中对从接口进入单片机的脉冲进行计数。但是，频率信号的测量依照不同的电路设计具有多样的硬件输入方式，与之对应的程序代码的编写也就存在多种实现的方法。

乍听起来和频率计颇为相似，其实不然，频率计可以说是一个功能完整的可以直接使用的仪器。它又可称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率fs为：fs=N/T。频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、控制电路以及计数显示电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值。之所以称之为完整就是因为它的构成包含计数显示电路。至于本设计中的采集做到什么程度完全取决于之后所要传输数据的类型，倘若显示为具有可读性数据的代码转换协议在数据传输的后一站实现，那么就完全没有必要对数据做过多的处理。也就可以更多的节省信号采集时所占用的系统资源以及数据传输时所占用的信道资源。 首先是系统的时钟。一方面，测量频率的系统时钟本身精度一定要高，因为不论是限定测量时间还是限定测量脉冲个数的周期，其时间基准是系统时钟产生的；另一方面，系统时钟的频率值，因为系统时钟频率越高，能够实现频率测量的精度也越高。因此，建议使用频率比较高的系统时钟。

其次是所使用定时计数器的位数。测量频率要使用定时计数器，定时计数器的位数越长，可以产生的限定时间越长，或在限定时间里记录的脉冲个数越多，因此也提高了频率测量的精度。所以对频率测量精度有一定要求时，尽量采用16位的定时计数器。 除了以上三个因素外，还要考虑如何与系统中其它任务处理之间的协调工作，以及考虑其它中断和中断响应时间的影响。此外，频率测量精度要求高时，甚至需要在软件中考虑采用多次测量取平均的算法等。

2.2 频率信号传输的基本原理

所谓传输就是将待传输的数据信号通过特定的信道以及固定的传输模式传送给需要传达的目的地的操作。这里的传输对象显然不是之前从输入端接收到的V-F电压频率信号，否则，复杂的芯片内部结构岂不成了导线？这里传输的应该是经过单片机处理产生出来的数据。传输看似简单，其实也有很多需要考虑和注意的因素，诸如一下三点：

首先要看传输数据的方式是串行传输还是并行传输，串行传输从硬件上看相对简单，一般只需要两根数据线：一根负责发送，而另一根负责接收。或是最多再加上一根电源线以及一根地线。

其次要根据需要确定传输线的功能需求，由此可分为三中模式，它们分别是：单工、半双工、全双工。功能越强大也就代表着成本的增加和功耗的加大。所以，根据需求选择最合适自己需要的传输模式十分重要！

最后就是要确定一些传输时的具体参数，比如说：波特率、传输比特位数、起始位、截止位、校验位等。

3. 芯片及其外围电路设计

3.1 硬件系统总体设计

本设计目的是实现对频率信号地采集与传输。单片机中的程序是通过编程器事先下载到单片机内部的存储器中的。每次上电后单片机自动读取内部已储存的程序对芯片进行初始化。单片机接收从PC机发来的对频率信号进行线路选择的控制信号。单片机不断重复对INT0口上负边沿触发的计数工作，即采集频率的工作。并在每一次定时完成时通过串口向PC机发送一次数据。当然，此时发送的数据应该为单片机最后一次收到PC机发来的线路选择控制信号所选中的那一路频率信号的频率值（二进制）。

3.2 AT89C2051芯片及其外围电路设计 电源实际上就是两根线，只要通过导线将板子上的电源插头依照芯片手册连接到单片机的电源和地这两个引脚上就可以了，电源正极接到单片机的第20引脚，电源负极接到单片机的第10引脚。晶振电路的设计可以从网络或是参考资料上找到很成熟的设计方法，先将两个电容串联，然后再与晶振并联，两电容之间有导线将该点与电源的负极相连，并联电路的两端分别接到单片机的第4和第5引脚。复位电路也可以参照一些有关单片机的书籍上找到相应的方法，先将复位开关和1k欧姆电阻串联，然后与一个极性电容器并联，最后再与一个51k欧姆电阻串联，从中间的节点引出一根导线接到单片机的第1引脚。

3.3 MAX232芯片及其外围电路设计

MAX232的功能就是进行电平转换，因为单片机系统工作在+5V电压下，而串行通信是工作在±12V。显然，电平转换是必不可少的，否则从TTL到PC机串口方向传输的数据不足以触发PC机使其正确收到数据；无独有偶，从PC机到TTL方向的数据信号会直接将TTL芯片烧坏。如图5所示。

3.4 SN74151芯片及其外围电路设计

SN74151是较为常用的8选1数据选择器，该芯片是组合电路，不包含时序部分。电源的设计依然使用两根线就足够了。即一根接VCC，另一根接GND。除此之外还有8路输入线以及1路输出线。

4 模块设计

模块设计的思想就是为了使系统整体看起来根据有层次性。以上设计的三部分在功能上相对独立，互补影响。但在整个系统中又是相互关联，环环相扣的。根据上述的三部分电路设计可以分块为：单片机最小系统模块、串行通信电平转换模块以及8路数据选通模块。三个模块之间只有数据或控制线相连，使彼此间的干扰降到最小。当然，如果在电路设计时就将不同的模块分别焊在若干块电路板上，还有利于后续对电路的改进工作。由于8路选通是经过扩展后的二次设计，故本设计只把8路数据选通模块独立放在另一块电路板上。

5 电源设计

在电路板上，电源接口设计使用的是两端子的接线插头。实际使用一个能将220V交流电转为+5V直流电的变压器提供电源。

6 系统总体设计

系统设计的电路图。

7 软件设计

7.1 总体设计思路

本设计采用的是传统的数频率的方式。但由于两个定时器分别要用作定时1秒钟时间和设置串口通信的波特率，所以只能利用其它的外部中断来数频率。在本设计中，使用的是INT0中断计数，识别脉冲交给硬件电路，计数则由软件函数实现；T0定时/计数器用作计时间1秒，溢出中断作为定时到点得标志位；T1定时/计数器用作设置串口通信的波特率。整体程序的实现主要依靠三个中断来完成，主函数的任务则是等待中断。

7.2 频率信号采集设计

中断定时、计数设计这一部分利用两个中断函数实现该功能，T0用作定时1秒，INT0的中断函数用作对频率信号的计数。

7.3 频率信号数据传输设计

①串口数据发送设计 ②串口数据接收设计

串口数据接收的过程就不像发送数据那么简单了。因为数据不在你这里，而是从外部送来的，不能想收就收了。所以一定要想检测有数据过来。否则你都不知道你会收到什么东西。所以，在此利用中断程序接收外来数据是最好不过的了。

7.4 主程序设计

本设计的主程序十分简单，由于所有功能都由各个中断程序完成。所以主程序除了进行对芯片的初始化功能之外只剩下等待中断函数的功能了。

8 调试结果

验证结果用到了函数信号发生器、电路板、PC机（串口调试助手）、USB转串口线（HL-340）。

通过运用软件时序仿真和硬件测试的方法对T0定时器装载的初值进行了许多次调整，为的是尽可能实现精确定时1秒。最终使得系统在对中心测量频率1kHz附近的频率信号地测量十分准确，在测量4kHz信号时测量值是3996Hz，误差达到了0.1%。但是但在对过高或过低频率信号地测量时误差相对明显。这是系统需要改进的地方。

9. 总结

本设计采用传统的设计方法，节省了软、硬件的开支，不需要外部扩展存储器，设计了一个基于AT89C2051单片机的频率测量系统，该系统可以准确测量中心频率在1kHz附近的信号的频率，并实现与上位机进行串口异步通信。

本设计也就存在着可扩展的空间：可以通过设计前端分频装置实现对更高频率信号的测量；可以增加数码管显示，这样应用到工业生产线时不仅可以在控制室观察到，也便于在车间中观察节点工作状况；还可以改变设计方法，采用等精度频率测量设计，消除测量误差。

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