基于FPGA和单片机的多功能计数器设计

　　一、系统方案

　　方案1：采用中小规模数字电路构成系统，由计数器构成主要的测量模块。用定时器组成主要的控制电路。此方案软件设计简单，但外围芯片过多，且频带窄，实现起来较复杂，功能不强，而且不能程控和扩展。

　　方案2：采用单片机实现。被测信号经调理后送入单片机，利用其内部的计数器完成计数，然后再进行数据处理和显示，但单片机在处理高速信号时略显吃力。

　　方案3：利用FPGA对调理后的被测信号实现高速计数，单片机软件执行高精度浮点数运算并显示。单片机完成系统的数据处理、逻辑控制和人机交互功能;大规模现场可编程器件(FPGA)实现外围计数功能。电路框图如图1所示。

　
　图1 方案3系统框图

　　方案比较与选择：方案1 采用中小规模集成电路来实现，系统电路较复杂，扩展性能差;方案2用外围电路配合单片机实现测量功能，信号频率比较高时需外加分频电路，影响测量精度和系统稳定性，且单片机任务繁重，给软件设计和调试工作带来不便;方案3用一片高度集成的可编程逻辑器件可完成有关电路所有模块的设计，大大降低了电路复杂度，减少引线信号间的干扰，提高电路的可靠性和稳定性。加上单片机控制，应用单片机的数学运算和控制功能，辅以有效的软件滤波算法，能够进一步提高测量精度，且控制灵活、易于扩展和调试简单，能够达到题目要求。故本设计采用方案3，系统框图如图1所示。

　　二、理论分析与计算

　　1、频率和周期测量方法分析

　　由于频率和周期之间存在倒数关系(f=1/T)，所以只要测得两者中的一个，另一个可通过计算求得。

　　1)直接测量法 对测频在低频端1Hz时，若闸门时间为1s，其 ±1量化误差大到100%。为了满足测试精度的要求，显然不能采用直接测量法;

　　2)直接与间接测量相结合的方法 需对被测频率和中界频率的关系进行判断，在中界频率附近仍不能达到较高的测量精度;

　　3)等精度测量法 图2为等精度测频、测周原理方框图。

　　
图2 等精度测频原理图