基于内嵌Cortex-M3内核FPGA的等精度频率计设计王立华1，周松江1,2，高世皓1,3，张恒1（1山东科技大学电子通信与物理学院，山东青岛266590；2北京邮电大学信息光子学与光通信研究院，北京，100876；3北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室，北京，100876）摘要：为了提高频率计的测量精度和系统性能，解决在传统的频率计中无法实现高低频率等精度测量的情况，本文采用京微雅格公司的M7系列FPGA，设计了一种基于SOPC技术的等精度多功能频率计。该频率计以内嵌Cortex-M3内核的FPGA芯片为控制核心，通过对FPGA模块和Cortex-M3内核部分的设计，并借助AHB接口的FIFO实现FPGA与Cortex-M3内核之间的数据通信，完成了1Hz~50MHz范围内等精度频率计的设计。通过ModelSim软件仿真和硬件实测表明，该频率计可以完成等精度频率和占空比的测量功能，具有精度高、实时性好等特点。关键词：频率计；等精度；SOPC；FPGA；AHB；Cortex-M3中图分类号：TM935.13文献标识码:A1引言频率是电子领域中最基本的参数，传统的测频方法有直接测量法、周期测量法和分频测量法等，这些方法往往只适用于测量一段频率，而无法实现高低频率等精度的要求。在技术上，传统的频率计大都采用单元电路或单片机进行设计，使得频率计存在结构复杂、稳定性差且测量范围小等缺点[1]-[4]。基于此，本文以京微雅格公司的M7系列FPGA为设计载体，利用SOPC技术和等精度测量原理，在一片内嵌Cortex-M3内核的FPGA芯片上完成频率计的设计。系统充分发挥FPGA的高速数据处理能力，完成对待测信号的测量计数；利用Cortex-M3的数据运算与人机交互能力，完成对测量数据的计算与显示工作。该系统可以实现频率测量和占空比测量功能，具有测量精确、稳定性高、调试方便等特点[5]-[7]。2系统工作原理与结构2.1等精度测量原理等精度测量法的测量原理如图1所示，其最大的特点是实际闸门时间并不是一个固定值，而是一个与被测信号有关的值，且刚好为被测信号周期的整数倍。在启动测量之后，首先给出一个预置闸门时间，然后等待被测信号下一个上升沿的到来。当被测信号的上升沿到达后，将预置闸门时间信号与被测信号进行同步，同时用两个计数器分别对被测信号和标准信号进行计数。当预置闸门时间结束后，被测信号的下一个上升沿到达时两个计数器停止计数。此时会得到两个计数值，然后结合标准信号的频率值，即可得到被测信号的频率[8]-[10]。图1等精度测频法测频原理图假设在一次测量中，实际闸门时间为T，被测信号计数器和标准信号计数器的计数值分别为Na和Nb，标准信号的频率为f0，根据测量原理可计算出被测信号的频率为：f=NaNbf0（1）式（1）中f为被测信号频率的测量值，若信号的实际频率为f'，那么测量的误差为：δ=¿f'−f∨¿f'×100%¿（2）若忽略标准信号的频率误差，并根据式（1），可得被测信号实际频率的表达式为：f'=NaNb±∆Nbf0（3）联立式（1）、（2）、（3）可得：δ=∆NbNb×100%≤1Nb=1Tf0（4）由此可知，采用等精度测量法测量频率时，所选择的闸门时间越长，标准信号的频率越高，频率测量的误差就会越小[11]-[14]。假设标准信号的频率为100MHz，闸门时间为1s，那么其精度可达到10−8。另外，占空比的测量方式描述如下：在对闸门时间内标准信号进行计数的同时，还需要对在闸门时间内被测信号高电平时间段的标准信号进行计数[15]。设两个计数器的计数值分别为Nb和Nc，那么可得到被测信号的占空比为[16]：D=NcNb×100%（5）2.2系统总体结构频率计系统的总体结构图如图2所示。本系统选用京微雅格公司M7系列的FPGA芯片CME-M7A12N0F484C7，该芯片集成了主流的ARMCortex-M3内核和高性能FPGA逻辑单元，FPGA逻辑性能高达200MHz，而ARMCortex-M3内核最大频率可达300MHz。利用AHB(AdvancedHighperformanceBus)总线连接FPGA、ARMCortex-M3内核和各个外设，实现了高速数据传输。图2系统总体结构图在图2所示的系统中，锁相环IP核部分用来产生各类时钟信号，AHB接口的FIFOIP核作为FPGA与Cortex-M3内核之间通信的中介。而具有人机交互优势的Cortex-M3内核通过GPIO来输入外部信号以及控制LCD12864进行显示。同时数据通过UART传输至电脑端的上...