摘要: 精確的頻率控制是現(xiàn)代化工業(yè)生產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重要。本文介紹的這種頻率調節(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(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(huán)而不能正常工作。
   關鍵詞: AVR, 單片機, 頻率, 控制
   1 引言
    在現(xiàn)代化工業(yè)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(xù)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(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(yī)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(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，所以大大簡化了設計步驟，加快了設計進程，同時不會燒毀、燒費芯片，節(jié)約了成本。 
    圖1給出了該頻率調節(jié)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(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. 頻率調節(jié)器整體框圖

2 控制核心與頻率發(fā)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(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(shù)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?shù)腢ART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(xié)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(fā)生技術
    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用在高精度測試中。本設計采用了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，本設計使得頻率可以精確到步長為1Hz的調節(jié)。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(xiàn)。圖2示出了本系統(tǒng)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(shù)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(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(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(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(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(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用數(shù)組，從而簡化了設計，實現(xiàn)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(xiàn)代化工業(yè)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(jié)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(jié)。此頻率調節(jié)器體積小而功能強，由Atmel公司的AVR單片機Atmega16L作控制核心，用戶可隨時調整系統(tǒng)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(tǒng)可以產生方波和正弦波。
本設計的硬件與軟件均已經(jīng)應用在某頻率測試生產線中。工業(yè)生產與測試使用表明，本設計簡化了頻率調節(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.
[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