基于atmega8的数字信号测量仪设计

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1、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1高测量速度和精度，但是这将会增大系统设计规模，增加投资成本，而后者受单片

2、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。2ATmega8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AVRRISC、低功耗CMOS的8位单片机，是ATMEL公司的AVR系列高档单片机

3、，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

4、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。3ATmega8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

5、磁信号检测、电磁场模拟与成像。1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

6、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

7、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