基于TM4C123系列单片机的频率测量系统设计

钱鑫洪

【摘 要】随着电子技术的不断发展，对精确的频率测量提出了越来越高的要求。TM4C123系列单片机是由ARM公司推出的基于ARMv7架构的高性能、低功耗32位处理器，具有高效的信号处理及浮点运算功能。设计基于TM4C123单片机的频率测量系统，通过周期性矩形脉冲产生的上升沿或下降沿中断来捕获相关的频率信息。具有结构简单、测量精度高、系统成本低等优点。

【关键词】频率测量；TM4C123；单片机

中图分类号： F426.63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）26-0037-002

Design of Frequency Measurement System Based on TM4C123 Microcontroller

Qian Xin-hong

（Zhejiang University Tongji University， Jiaxing Zhejiang 314051，China）

【Abstract】With the continuous development of electronic technology， more and more high requirements are put forward for accurate frequency measurement. The TM4C123 family of microcontrollers is a high-performance， low-power， 32-bit processor based on the ARMv7 architecture from ARM Corporation with efficient signal processing and floating-point arithmetic. The frequency measurement system based on TM4C123 is designed to capture the relevant frequency information by the rising or falling edge of the periodic rectangular pulse. Has the advantages of simple structure， high measurement accuracy， low system cost.

【Key words】Frequency Measurement； TM4C123； SCM

頻率测量系统主要有外围辅助模块和单片机主控模块两部分组成。

1 辅助模块

外围辅助模块：主要由运放模块，整形模块，分频模块，显示模块组成。系统方框图如图1所示。

（1）运放模块：输入的待检测信号能量有可能很微弱，需要使用放大电路将小信号放大。故采用OPA系列中的OPA2365（2.2V、50MHz低噪声单电源轨至轨运算放大器）搭建运算放大电路，其单位增益频带宽度为50MHZ，相应放大倍数时的信号失真率较少，并且其芯片与单片机输出电压相匹配，较为方便。

（2）整形模块：在数字测量系统中，由传感器送来的信号波形边沿较差，并且单片机只能对脉冲波进行计数，而实际待测频率信号是多种多样的，有脉冲波、正弦波、三角波等等，所以需要一个整形电路，把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。利用tlc372（双路通用LinCMOS差动比较器）搭建过零比较器，其阈值电压为0V，集成运放工作在开环的状态，输出的电压为+Uom或者-Uom。当输入电压小于0V时，Uo=Uom；当输入电压大于0V时，U0=-Uom。整形电路使正弦波变成方波。整形波形如图2所示。

（3）分频模块：考虑到单片机的计数器的计数能力有限，无法对过高频率进行测量，所以对待测信号先进行了十分频，提高测量频率的范围，还能改善频率测量的精度。利用74LS161、7400N和触发器7474N组成一个分频电路，74LS161芯片有计数的功能，再利用7400N的与非门接上7474N的触发功能就形成了一个简单的分频电路。

（4）显示模块：LED液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量的文字、图形，比较多样化。但是价格昂贵，而且需要的接口也比较多，所以此系统不采用LED液晶显示屏。而是采用有显示功能的LCD，厚度薄、重量轻、功耗低、工作电压低、无辐射无闪烁还能直接与COMS集成电路匹配，相对于LED液晶显示价格便宜且接线简易易于控制。

整个外围辅助模块的电路如图4所示：

2 单片机主控模块

将上述分频模块得到的方波脉冲信号接入单片机的gpio口，利用单片机的外部中断和定时器中断，便可设计频率测量算法。

测量方法的选择：

（1）定时法：又称测周期法，是一种间接测量方法，利用周期和频率互为倒数的关系，通过测量待测信号的周期来获得它的频率，将待测信号转化成矩形波，加定时器/计数器T1的输入脚及外部中断INT1口，当 GATE1=1，TR1为1时，只有INT1引脚输入高电平时T1才被允许计数，利用GATE1的这个功能可以测量 INT1引脚上正脉冲的宽度，通过数据处理变换成频率值[1]。

（2）计数法：所谓频率就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f=N/T[2]。计数法测量频率实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值N就是信号频率。利用单片机的两个定时器Timer 1A和Timer 1B，可以用Timer 1A来定时，Timer 1B对整形后的矩形脉冲信号上升沿进行计数，计数结果自动保存在寄存器中。两者均应该工作在中断方式 ， Timer 1A中断用于实现定时1s，Timer 1B中断用于扩展计数器溢出。当Timer 1A定时1s到达，通过中断停止Timer 1B的计数，从计数器中读出测量的数据。

本系统采用第二种方法，软件流程如图5所示。

定时器 Timer1 中的Timer 1A和Timer 1B同时启动，用于测量输入频率。Timer 1A采用捕获模式响应输入信号的硬件中断，而Timer 2B设定为溢出计时的工作模式。 根据不同的输入频率计算输入信号的周期，并换算得到信号频率。如图6所示， 输入信号上升触发可以得到 T1、 T2 两个中断点的定时器值。 根据图6的构思可以得到输入信号的周期：TP=T2-T1+T0×M

3 结语

测了七组数据，测量结果如下：

可见，基于TM4C123系列单片机的频率测量系统能在保持低功耗低成本的同时，具有较高的测量精度。

【参考文献】

[1]刘一农，罗志会.基于单片机的高精度频率测量仪的设计[J].三峡大学学报，2009（3）：73-76.

[2]陈晓荣，蔡萍.基于单片机的频率测量的几种实现方法[J].工业仪表与自动化装置，2013（1）：40-42.

[3]赵月静，陈继荣.单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J].实验技术与管理，2011（5）：177-179.