基于AVR單片機的高精度頻率調(diào)節(jié)器

摘要:?精確的頻率控制是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測試的必備手段。基于AD9850可以發(fā)生優(yōu)于1Hz頻率精確度的信號，這對于頻率測試來說至關(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單片機掃描鍵盤并且讀入用戶設(shè)定的頻率值。隨后，AVR單片機計算出AD9850的控制字，并且對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。本文對頻率控制器擴展了液晶顯示模塊，因此當前頻率值可以被實時顯示。它可以生成方波和正弦波。設(shè)計中使用了看門狗定時器防止程序進入死循環(huán)而不能正常工作。
?? 關(guān)鍵詞:?AVR,?單片機,?頻率,?控制

1?引言
??? 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與高精度測試中，我們需要相當精確的頻率來幫助判斷設(shè)備性能指標。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，耗時漫長，因此有些測試項目限制了壓控振蕩器的使用。
Mega系列單片機是Atmel公司于2002年起陸續(xù)推出的。這款A(yù)VR增強型單片機具有速度快，抗干擾能力強，價格低廉等諸多優(yōu)點。為了加快AVR單片機的軟件編制，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知識產(chǎn)權(quán)。AVR單片機可以廣泛應(yīng)用于通信、野外測試、汽車電子、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，并且適用于各種低電壓、低功耗的場合。

?? 本文提出一種方法能夠基于AVR單片機，采用AD9850提供精確到1Hz的頻率信號，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Atmega16L作為核心，能夠方便、準確地控制輸出頻率。由于AVR單片機實現(xiàn)了在線可編程，所以大大簡化了設(shè)計步驟，加快了設(shè)計進程，同時不會燒毀、燒費芯片，節(jié)約了成本。

?? 圖1給出了該頻率調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計框圖。用戶通過4×4鍵盤設(shè)定頻率值，AVR單片機使用I/O端口，掃描讀入頻率值。隨后AVR單片機控制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單片機同時控制液晶顯示模塊，使之實時顯示當前頻率。

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)計采用了Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作為控制核心。AVR單片機的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是精簡指令集CPU中的高性能器件。AVR單片機可以提供高達16?MIPS的執(zhí)行時間，具有128K字節(jié)的可編程Flash存儲器，同時具備4096字節(jié)的靜態(tài)RAM。AVR單片機自帶看門狗定時器，在強烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設(shè)計中采用的Atmega16L還具有以下特點：
·???內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度；I/O端口引腳數(shù)多達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)?a href="http://m.makelele.cn/tags/uart/" target="_blank">UART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低電壓檢測功能；
·???內(nèi)部有8路10位的A/D變換器；具有4個PMW，可以協(xié)

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，從投入市場到今天已經(jīng)應(yīng)用在雷達系統(tǒng)、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應(yīng)用在高精度測試中。本設(shè)計采用了AD9850作為波形發(fā)生器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點。

?? 在控制流程中，AVR單片機為AD9850計算了頻率控制字，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)計使得頻率可以精確到步長為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，我們設(shè)計了低通濾波器用來濾除信號的高頻分量。該低通濾波器還可以使用五階橢圓濾波器實現(xiàn)。圖2示出了本系統(tǒng)的AD9850電路設(shè)計圖。PC2——PC5可以同時作為I2C總線端口。

圖2??AD9850電路設(shè)計

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)計采用了4×4鍵盤作為頻率輸入設(shè)備。由于按鍵個數(shù)少，只有16個，需要表示從1Hz?—?10MHz的廣泛頻率，故在軟件設(shè)計中采用了AVR單片機掃描方式。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修改頻率和微調(diào)頻率。讀入用戶輸入的頻率值時，采用了延時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依次變化實現(xiàn)掃描。本單片機鍵盤掃描的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，高4比特當中有低電平0存在，此時只能循環(huán)等待。只有當用戶松開按鍵之后，才將高4比特與低4比特進行按位反操作，并復(fù)合形成最終返回的掃描結(jié)果。如果沒有檢測到有按鍵按下，則將掃描變量sccode向左移位1比特，繼續(xù)進行下一次掃描。

3.2?液晶顯示模塊
??? 用戶在多次進行輸入頻率以及“+1Hz”和“-1Hz”微調(diào)后，專注于觀察信號輸出對下一級電路的影響，往往忘了目前系統(tǒng)的輸出頻率。這樣導(dǎo)致在精確測試中要求微調(diào)時也不知該向高調(diào)整還是向低調(diào)整。為了告知用戶系統(tǒng)所處的當前頻率，我們擴展了液晶顯示模塊，實現(xiàn)了當前頻率在液晶顯示模塊上實時顯示。液晶顯示模塊占用了單片機Atmega16L的PD0-PD7作為數(shù)據(jù)接口，采用了單片機的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)計電路圖。
?
?? PB0引腳選擇液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)存儲器或指令存貯器，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序。PB3負責(zé)選中液晶顯示模塊的左半部分，PB4負責(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)或指令準備好了之后，再讓PB2進行電平變化，否則讀寫會出錯。

?? 本設(shè)計借助單片機Atmega16L的大容量程序存貯器，將英文字母和若干漢字的字型點陣作為數(shù)組存入單片機的程序存貯器中。需要顯示某字符時直接調(diào)用數(shù)組，從而簡化了設(shè)計，實現(xiàn)了英文、漢字以及圖形的顯示。本設(shè)計顯示界面友好，操作可控性強。

圖3??液晶顯示模塊與控制器電路設(shè)計

4?結(jié)論
??? 為了方便現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與精確的頻率測試，我們設(shè)計了基于AVR單片機的高精度頻率調(diào)節(jié)器。在本設(shè)計中，可以使用小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，方便地進行頻率精確到1Hz的調(diào)節(jié)。此頻率調(diào)節(jié)器體積小而功能強，由Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作控制核心，用戶可隨時調(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。液晶顯示模塊可實時顯示當前頻率，顯示界面友好，操作可控性強。本系統(tǒng)可以產(chǎn)生方波和正弦波。

?? 本設(shè)計的硬件與軟件均已經(jīng)應(yīng)用在某頻率測試生產(chǎn)線中。工業(yè)生產(chǎn)與測試使用表明，本設(shè)計簡化了頻率調(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、頻率控制精度高速度快的特點。

參考文獻
[1]?Atmel?Corporation.?8-bit?AVR?Microcontroller?with?16K?Bytes?In-System?Programmable?Flash?Atmega16L?data?sheet.?Atmel?Corporation,?2003:?3-18.