基于ATmega8的数字信号测量仪设计

基于ATmega8单片机的数字信号测量仪设计张双狮(武警学院计算机教研室，河北 廊坊 065000)摘要：本文对ATmega8单片机的结构进行了简明的介绍，并给出了基于ATmega8单片机的数字信号测量仪的硬件软件设计方法。

关键词：ATmega8单片机；数字信号测量仪；设计1 引 言众所周知单片机（当前运用最为广泛的为51系列单片机）有测量外来数字信号宽度、频率及周期等的功能，其主要有两种方式，一、通过外扩展定时/计数器来实现，二、通过内部定时/计数器实现。

这两种方式都有成功的、广泛的应用，但是各有其相应的局限性，前者固然可以提高测量速度和精度，但是这将会增1大系统设计规模，增加投资成本，而后者受单片机主频、定时器分频、机器周期分频等因素的影响测量速度、精度受到了大大的限制。

然而，有幸的是我们有AVR高速嵌入式单片机，使用该款单片机可以突破以上两种方式的限制，既可以减小系统设计规模，使系统设计更加简洁，投资成本更低，而同时可以使测量频率达到15MHz以上，测量信号宽度可以精确到0.125us，甚至更小，这个速度已经可以满足大部分工业控制应用。

因此研究应用新型AVR单片机来进行数字信号测量有着重要的使用价值和经济意义。

2 ATmega8单片机的硬件结构ATmega8（欲了解详情，请参阅文献[1][2]）是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，是ATMEL公司的AVR系列高档单片机，了解了它的结构，便可以举一反三对其它AVR机型进行设计。

ATmega8采用程序存储空间、数据空间分开的哈佛结构，其显著特点就是速度快（内含硬件乘法器，绝大多数指令周期＝机器周期，可以达到接近1MIPS/MHz的性能，其运行速度比普通CISC单片机高出10倍）、存储器大（8K字节可在线或在应用编程的Flash程序存储器，1K字节SRAM，512字节E2PROM数据存储器）、丰富强大的硬件接口电路（23个通用可编程I/O 口、（18＋2）个内外中断源，且每一个中断都有自己独立的的中断向量入口地址，1个8位I2C 总线接口，3个带比较模式的定时/计数器，4（6）通道10位ADC，可编程硬件看门狗，一个SPI 接口和5种可编程的节电模式等等）、可在线下载编程和自编程，ATmega8的工作频率为0～16MHz，ATmega8功能强大、操作简单灵活而其价位仅相当于或低于普通51单片机，所以性价比很高，是嵌入式系统设计、开发和教学实验的理想选择。

3 ATmega8单片机定时/计数器的特点和信号测量原理ATmega8单片机有两个8位定时/计数器和一个16位定时/计数器，这些定时/计数器除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕获、比较、脉宽调制（PWM）输出、实时时钟计数等更为强大的功能。

[作者简介]张双狮（1975-），男，山西河曲人，武警学院计算机教研室讲师，硕士。

主要研究方向：嵌入式系统开发，电磁信号检测、电磁场模拟与成像。

与51系列单片机不同的是，ATmega8定时/计数器的时钟来源有特殊的结构设计，结构更为复杂精细，性能更加稳定可靠，而且通过软件编程使其功能更多，使用更加灵活。

它有两种方式获取计数时钟，一、来自芯片内部，通过专门寄存器编程使系统内部时钟clkI/O直接作为位定时/计数器的时钟源，这也是最高频率的时钟源；或者由预定比例分频器通过编程提供clkI/O/8、clkI/O/32、clkI/O/64、clkI/O/128、clkI/O/256、clkI/O/1024等不同周期的时钟信号。

二、来自外部引脚T0(T1)的时钟信号作为时钟源，当然它一定小于clkI/O，否则是不能对其计数的，在MCU内部也有相应的同步电路和边沿检测电路来保证定时时钟的可靠性。

本文设计中所用到的是ATmega8单片机的16位定时/计数器1的捕获功能，待测量信号作为信号事件由单片机的ICP(PB0)引脚输入。

在T/C1内部有一个输入捕获单元如图1可用于精确捕获一个外部事件的发生，以及事件发生的时间印记（Time-stamp），外部事件发生的触发信号由引脚ICP输入，当然模拟比较器的ACO单元的输出信号也可作为外部事件捕获的触发信号。

一个输入捕获发生在外部引脚ICP上的逻辑电平变化，或者模拟比较器输入电平变化（事件发生），此时T/C1计数器TCNT1中的计数值被写入捕获寄存器ICR1中，并通过置位输入捕获标志位ICF1，触发捕获中断，进行捕获事件处理，这些都是有别与51单片机的。

ATmega8的T/C1就是这样实现对信号频率和周期进行精确测量的。

另外，通过软件编程置位ICNC1将使能对输入捕获信号的噪声抑制功能。

噪声抑制电路是一个数字滤波器（这个也是51单片机所没有的），它对输入触发信号进行4次采样，当4次采样值相等才确认此触发信号。

因此使能输入捕获触发信号的噪声抑制功能可以很好的抑制输入信号噪声，但确认的触发信号比真实的触发信号延时了4个系统时钟周期,详情参见文献[1][2]。

4 数字信号测量仪设计我们用ATmega8设计一个简单的数字信号宽度、频率、周期测量仪。

4.1 信号测量仪的功能1）信号事件的捕获2）按键选择测量信号脉冲宽度、信号频率、信号周期3）用数码管显示相应的脉冲宽度、信号频率、信号周期值4.2 信号测量仪硬件结构框图如图2为信号测量仪组成框图4.3 信号测量仪电原理图如图3是本系统的电原理图。

说明：系统中ATmega8的晶振频率为16MHz，J1为程序在线下载插头，信号探头将信号输入6N137光电耦合器，之后输入ATmega8的ICP(PB0/14)引脚。

键盘显示接口采用ZLG7290，这个片子通过I2C总线与ATmega8进行通信，ATmega8具有硬件TWI接口（兼容I2C协议），这个比软件模拟的I2C通信具有更高的效率和可靠性，需更少的软件代码。

ZLG7290的键盘中断接到ATmega8的INT0(PD2/4)引脚。

8位数码管动态显示测量内容。

4.4 软件设计[3][4]AVR单片机的软件可以用汇编语言来编写，不过其跟传统的51系列单片机的指令系统不兼容，写起来有点困难，好在现有多种C语言的编译器可以用来开发。

如有ICCAVR、CodeVisionAVR、IAR、GCCAVR等等，这些都是符合ANSI标准的C语言编译器，其中前三者都是付费的，最后一种是自由免费软件，我们选择最后一种，实际上GCCAVR的升级也快，也是非常的好用。

我们在开发中就是用GCCAVR作为编译器。

软件流程如图4。

说明：1）硬件定义文件中包括了ATmega8的各个寄存器、端口定义等，是必须的。

2）自定义函数库包括程序中将要用到的函数，如TWI口通信控制函数、软延时函数、读ZLG7290函数、写ZLG7290函数等等。

3）全局变量定义，从ICP捕获的数据要保存到一个全局变量new_count中，键值也要保存到一个全局变量Pkey中。

4）本系统中涉及到两个中断，一个是ZLG7290键盘中断，一个是ICP单元信号捕获中断5）硬件初始化包括用到的硬件端口的设置，控制字（TWI端口、ICP端口）的设置等等6）无限循环的流程如图5：7）部分程序a）捕获中断函数// ICP1中断服务函数SIGNAL(SIG_INPUT_CAPTURE1) // SIG_INPUT_CAPTURE1为中断标识，硬件定义文件中已给出定义。

{new_count=ICR1;//读取捕获值到全局变量中ICR1=0;//捕获寄存器清零TCNT1=0; //计数器清零TCCR1B=0Xc3;//C/T1工作方式控制字，采用8分频，计数频率为2MHz，我们这里用了分频，不分频也可以。

}b)主函数void main(void){mcu_ini();//硬件初始化函数sei(); // 开中断for(;;){switch (Pkey){case 1:new_count=Impuls_Width(new_count); //将捕获值转化为信号宽度值B16_TO_D5(new_count,DpBuf);//16进制转10进制，并指向显示缓冲区 ISendStr(SlvZlg7290,SubDpRam,DpBuf,8);//送显示向ZLG7290 new_count=0;//捕获缓存区清零，准备接受新值break;case 2:…其它几个模块与case 1相似，在此 不一一列出break;}}}5 讨论1）从上边的设计可以看出，用ATmega8进行数字信号测量，不论从硬件设计，还是软件设计，都是比较简单的，C程序又便于移植和与PC监控程序接口，这种方式不失为速度、频率、脉冲宽度信号测量领域的一个理想选择。

2）程序中我们没有必要取两次计数器的差值作为实际脉冲宽度值，而直接取ICR1值就可以了，因为ATmega8的捕获单元已经做了这一项工作，不过要特别注意的是在读取捕获寄存器之后要立即将之和相应的计数器清零，以便进行下一次捕获。

3）硬件设计中如果不加光电耦合器，在没有接输入信号时，有随机信号窜到ICP口上，显示器值不稳定，这是因为ATmega8的ICP非常灵敏，响应处理速度快，所以实际设计中在信号输入前端加光电耦合器要好些。

4）我们的设计中，计数频率为2MHz(可以用软件编程来调节计数频率)，0.5us计数一次，实验中采用的测量信号是来自一个标准高精度数字信号源，对2MHz以内的频率信号进行测量，测量结果与信号源的输出显示吻合。

5）知道了用ATmega8进行信号测量的原理后，就可以用AVR系列的其它更强的机型进行设计，因为其操作方法都是一样的。

参考文献：[1] 马 潮，詹卫前，耿德根，ATmega8原理及其应用手册[M]，北京：清华大学出版社，2003[2]Atmel Corporation，ATmega8 Data Sheet，California：revision O，updated 2004,10[3] 沈 文，Eagle lee，詹卫前，AVR 单片机C语言开发入门指导[M]，北京：清华大学出版社，2003[4] 耿德根等，AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2001A Design for Digital Signal Measuring InstrumentBased on ATmega8 Single Chip ComputerZHANG Shuang-shi(the Chinese People’s Armed Police Force Academy, Langfang 065000, Hebei) Abstract:ATmega8 single chip computer is introduced briefly in this paper.And a detailed design,including both hardware design and software one, for digital signal measuring instrument based on ATmega8 single chip computer, has been presented.Key words:ATmega8 single chip computer; Digital signal measuring instrument; Design E_mail:doublelions@。