摘要: 精確的頻率控制是現代化工業生產與高精度測試的必備手段。基于AD9850可以發生優于1Hz頻率精確度的信號，這對于頻率測試來說至關重要。本文介紹的這種頻率調節器由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備。AVR單片機掃描鍵盤并且讀入用戶設定的頻率值。隨后，AVR單片機計算出AD9850的控制字，并且對AD9850發出指令。本文介紹的頻率控制器可以通過“+1Hz”鍵和“–1Hz”鍵微調頻率值。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。設計中使用了看門狗定時器防止程序進入死循環而不能正常工作。
關鍵詞: AVR, 單片機, 頻率, 控制
1 引言
在現代化工業生產與高精度測試中，我們需要相當精確的頻率來幫助判斷設備性能指標。而且我們希望能夠微調該頻率。采用壓控振蕩器得到的頻率不夠精確，微調頻率步驟煩瑣，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年起陸續推出的。這款AVR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工具多種多樣，程序開發方便有效。該單片機內部FLASH結構功能靈活，加鎖后很難解密，可以最大限度地保護知識產權。AVR單片機可以廣泛應用于通信、野外測試、汽車電子、醫療器械等領域，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，不但可以發生正弦波，也可以發生方波，從而為要求頻率精度高的企業解決了難題。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單片機實現了在線可編程，所以大大簡化了設計步驟，加快了設計進程，同時不會燒毀、燒費芯片，節約了成本。
圖1給出了該頻率調節器的整體設計框圖。用戶通過4×4鍵盤設定頻率值，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調節到用戶要求的頻率。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. 頻率調節器整體框圖
2 控制核心與頻率發生技術
2.1 控制核心
本設計采用了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的執行時間，具有128K字節的可編程Flash存儲器，同時具備4096字節的靜態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。本設計中采用的Atmega16L還具有以下特點：
l 內部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度；I/O端口引腳數多達32根；
l 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的UART端口；
l 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；
l 支持JTAG邊界掃描電路；具有BOD低電壓檢測功能；
l 內部有8路10位的A/D變換器；具有4個PMW，可以協同或單獨工作；
l 內部帶有實時時鐘電路；工作頻率最高可達16MHz。
2.2 AD9850頻率發生技術
AD9850是AD公司推出的低功耗直接數字頻率合成器芯片，可以產生從直流到62.5MHz的寬頻率信號，從投入市場到今天已經應用在雷達系統、低功耗頻率源中。它良好的頻率合成功能適合于應用在高精度測試中。本設計采用了AD9850作為波形發生器，具有體積小，功耗低的優點。
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。聯合小鍵盤上的“+1Hz”鍵和“-1Hz”鍵，本設計使得頻率可以精確到步長為1Hz的調節。它可以產生方波和正弦波。用戶要求產生正弦波時，我們設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。圖2示出了本系統的AD9850電路設計圖。PC2——PC5可以同時作為I2C總線端口。
圖2 AD9850電路設計
3 輸入設備與輸出設備
3.1 鍵盤輸入設備與相應軟件
本設計采用了4×4鍵盤作為頻率輸入設備。由于按鍵個數少，只有16個，需要表示從1Hz — 10MHz的廣泛頻率，故在軟件設計中采用了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置為0xFE，以低電平0依次變化實現掃描。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，并復合形成最終返回的掃描結果。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，往往忘了目前系統的輸出頻率。這樣導致在精確測試中要求微調時也不知該向高調整還是向低調整。為了告知用戶系統所處的當前頻率，我們擴展了液晶顯示模塊，實現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作為數據接口，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計電路圖。
PB0引腳選擇液晶顯示模塊的數據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則構成上升沿與下降沿完成讀寫時序。PB3負責選中液晶顯示模塊的左半部分，PB4負責選中右半部分，通常PB3與PB4都置為1。需要注意的是，在數據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組存入單片機的程序存貯器中。需要顯示某字符時直接調用數組，從而簡化了設計，實現了英文、漢字以及圖形的顯示。本設計顯示界面友好，操作可控性強。
圖3 液晶顯示模塊與控制器電路設計
4 結論
為了方便現代化工業生產與精確的頻率測試，我們設計了基于AVR單片機的高精度頻率調節器。在本設計中，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的調節。此頻率調節器體積小而功能強，由Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作控制核心，用戶可隨時調整系統輸出頻率。采用了4×4鍵盤輸入用戶設定的頻率值，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。本系統可以產生方波和正弦波。
本設計的硬件與軟件均已經應用在某頻率測試生產線中。工業生產與測試使用表明，本設計簡化了頻率調節過程，用戶使用方便，具有節電、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.
[2] Atmel Data Sheets. http://www.atmel.com/dyn/products/devices.asp?family_id=607%20
[3] Atmel Application Note. http://www.atmel.com/dyn/products/app_notes.asp?family_id=607
