基于物聯(lián)網(wǎng)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)

摘 要：在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，信號頻率的測量至關(guān)重要。為了適應(yīng)當(dāng)前電子設(shè)計(jì)的發(fā)展要求，使數(shù)字頻率計(jì)向數(shù)字化、便攜化方向發(fā)展，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的頻率計(jì)。該頻率計(jì)由單片機(jī)主控模塊、信號波形轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙模塊與液晶屏顯示模塊組成。信號波形轉(zhuǎn)換模塊是由LM393芯片進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，可將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過STM32單片機(jī)連接信號波形轉(zhuǎn)換模塊，對信號波形進(jìn)行處理、分析；然后通過液晶屏顯示模塊在液晶屏上顯示信號頻率，再通過藍(lán)牙模塊將測量的信號頻率無線傳輸至上位機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測得頻率在0.200～125 kHz之間，該頻率計(jì)誤差范圍在0.05%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：STM32；LM393；頻率計(jì)；藍(lán)牙；頻率測量；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，其與周期、相位、波長、轉(zhuǎn)速等物理參數(shù)緊密相關(guān)。頻率計(jì)不僅可以用來測量信號頻率，也可以用來進(jìn)行計(jì)時(shí)、測時(shí)。如果對其加以改進(jìn)，也能成為一個(gè)智能儀器儀表，用來測量周期、占空比、脈寬等參數(shù)[1]。頻率計(jì)易攜帶，尤其是現(xiàn)在市面上的電子計(jì)數(shù)器產(chǎn)品和數(shù)字式頻率計(jì)，它們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信廣播設(shè)備、計(jì)算器系統(tǒng)、現(xiàn)代電子技術(shù)和儀器儀表等技術(shù)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的頻率計(jì)中，存在體積大、測量精度低等問題，且它的開發(fā)、測試過程十分復(fù)雜，已不適應(yīng)電子設(shè)計(jì)的發(fā)展要求。由于FPGA、CPLD與單片機(jī)擁有較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，且具有體積小、集成度高、速度快等特點(diǎn)，能夠滿足頻率計(jì)向數(shù)字化、便捷化、微型化的方向發(fā)展的需求[2-6]。在此背景下，本文旨在介紹一款基于物聯(lián)網(wǎng)的頻率計(jì)，該頻率計(jì)通過藍(lán)牙模塊將測量的信號頻率無線傳輸至手機(jī)或電腦，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 總體設(shè)計(jì)

頻率計(jì)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制芯片，信號轉(zhuǎn)換模塊采用LM393比較器，該比較器將待測正弦波轉(zhuǎn)換為方波，再通過I/O口與單片機(jī)相連。液晶屏顯示模塊采用ATK-MD0280，可在液晶屏上顯示藍(lán)牙狀態(tài)和信號頻率。藍(lán)牙模塊采用HC-05芯片，該芯片與單片機(jī)通過串口通信，單片機(jī)將測量的信號頻率通過串口發(fā)送給HC-05，HC-05再通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)或電腦等上位機(jī)，這樣就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測信號頻率。

2 信號波形轉(zhuǎn)換模塊

信號波形轉(zhuǎn)換模塊中采用了電壓比較器，比較器是將一個(gè)模擬電壓信號與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。它的輸出結(jié)果只有高電平和低電平兩種，經(jīng)常用于越限告警、信號波形轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈沖寬度調(diào)制等電路中[7]。

在電壓比較器中，LM393是一款高性能、高精度的單通道電壓比較器，具有高速、低功耗、響應(yīng)速度快的特性，同時(shí)還有較好的共模抑制比（CMRR）。我們選擇了LM393型比較器作為信號轉(zhuǎn)換器件。LM393電壓比較器具有高輸入阻抗，還具有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)，能夠在保持較高精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)極低輸入電阻。因此，LM393能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

在信號波形轉(zhuǎn)換模塊中，VCC選用5 V電壓，GND選用0 V。LM393比較器的同相端IN A+引腳連接信號發(fā)生器，輸出峰峰值為400 mV的正弦波；反相端IN A-引腳接地，輸出端OUT A外接2 kΩ的上拉電阻。將同相端IN A+引腳電壓與反相端IN A-引腳電壓相比較，當(dāng)同相端IN A+電壓大于反相端IN A-電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端OUT輸出5 V；當(dāng)同相端IN B+電壓小于反相端IN A-電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端OUT輸出0 V，可將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。信號波形轉(zhuǎn)換模塊原理如圖2所示。

LM393采用DIP和SOIC封裝，有8個(gè)引腳：OUT A、IN A-、IN A+、GND、IN B+、IN B-、OUT B和VCC，各引腳功能見表1所列。

LM393與單片機(jī)連接時(shí)，將OUT A引腳直接連接單片機(jī)的I/O口即可，如圖3所示。

3 主控模塊

由于STM32系列單片機(jī)是以高性能、低功耗而著稱，在此選擇了STM32F103RCT6作為主控芯片，該單片機(jī)是一款32位 ARMCortex-M3處理器，它擁有豐富的外設(shè)資源、強(qiáng)大的指令處理能力和優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)能力，可用于各種嵌入式應(yīng)用，包括消費(fèi)電子、工業(yè)控制和汽車電子等領(lǐng)域。其最大的一個(gè)特點(diǎn)就是內(nèi)部集成了256 KB FLASH存儲器。FLASH存儲器是一種存儲介質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其具有極高的訪問速度和數(shù)據(jù)存儲密度。另外，它還擁有豐富的外設(shè)資源，包括 SPI接口、I2C接口、UART接口和USB2.0接口等，可以輕松滿足單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不同功能模塊對存儲容量、數(shù)據(jù)訪問速度以及I/O口數(shù)量的要求[8]。

STM32F103RCT6的引腳如圖4所示。

STM32F103RCT6可以連接ATK-MD0280液晶顯示屏，它是一款高性能2.8寸TFTLCD電阻觸摸屏模塊，可直接與單片機(jī)相連。模塊內(nèi)部集成了高性能的觸摸芯片、電阻電容式傳感技術(shù)和人機(jī)交互界面，能夠提供穩(wěn)定可靠的觸摸性能。ATK-MD0280模塊能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸，并支持全屏觸摸，也支持單點(diǎn)觸控。該模塊采用了高性能的觸摸屏芯片和高質(zhì)量的電阻電容式傳感技術(shù)，使得模塊擁有了良好的觸摸響應(yīng)速度和可靠穩(wěn)定的性能。

4 藍(lán)牙模塊

為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能，本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)信號頻率的無線傳輸功能。HC-05藍(lán)牙模塊是主從集成于一體的藍(lán)牙串口模塊。一般來說，我們可以直接將藍(lán)牙當(dāng)作串口使用，這是因?yàn)楫?dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對成功后，可以忽略藍(lán)牙的內(nèi)部通信協(xié)議。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備之間連接起來時(shí)，可以共用一個(gè)通道即同一個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。

藍(lán)牙模塊本身有兩種模式，分別為主模式和從模式，它可以分別在主模式和從模式下運(yùn)行。本設(shè)計(jì)將藍(lán)牙模塊設(shè)定為從機(jī)工作模式，波特率選擇9 600 b/s，可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)相連。藍(lán)牙模塊也可與自帶藍(lán)牙功能的手機(jī)、電腦等上位機(jī)相連，單片機(jī)測量信號頻率后，可通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至HC-05，HC-05接收數(shù)據(jù)后再通過藍(lán)牙無線傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)測。HC-05藍(lán)牙模塊信號控制線見表2所列。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 信號頻率測量原理

對于頻率計(jì)而言，由于外部環(huán)境的干擾會使得頻率測量出現(xiàn)誤差，所以其精度的確定尤其重要。對于頻率信號測量方法來說，有多種測量方法：一是快速傅里葉變換方法，該方法運(yùn)算量較大，對單片機(jī)要求高；二是脈沖計(jì)數(shù)法，適用于高頻信號，較為簡單、方便；三是輸入捕獲法，適用于低頻信號，操作簡單[10]。

在本次設(shè)計(jì)中，選擇了輸入捕獲法測量信號頻率。通過單片機(jī)定時(shí)器的輸入捕獲功能，在定時(shí)器初始化時(shí)，將捕獲沿設(shè)置為上升沿；當(dāng)外部信號輸入單片機(jī)時(shí)，捕獲到上升沿，計(jì)數(shù)器第一次計(jì)數(shù)T1，將上升沿捕獲改為下降沿捕獲；當(dāng)捕獲到下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器第二次計(jì)數(shù)T2，將下降沿捕獲改為上升沿捕獲；當(dāng)再次捕獲到上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器第三次計(jì)數(shù)T3，計(jì)數(shù)完成后，將計(jì)數(shù)器清零，以便下一次捕獲。這樣T3-T1就是一個(gè)周期的脈寬，從而計(jì)算得到信號頻率值。

5.2 軟件設(shè)計(jì)流程

該設(shè)計(jì)中軟件整體采用STM32單片機(jī)C語言庫函數(shù)來編寫程序，當(dāng)STM32單片機(jī)與各個(gè)模塊引腳連接后，給STM32單片機(jī)上電，并將所需程序燒寫進(jìn)入單片機(jī)。當(dāng)STM32單片機(jī)通過HC-05藍(lán)牙模塊與上位機(jī)成功連接時(shí)，可以通過按鍵來控制單片機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送和上位機(jī)數(shù)據(jù)的接收，也可以通過上位機(jī)向STM32單片機(jī)發(fā)送簡單的指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能。設(shè)計(jì)總流程如圖5所示。

6 系統(tǒng)測試

為了檢測模擬信號頻率值與測量信號頻率值存在的誤差，設(shè)計(jì)了一個(gè)準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)，采用RIGLO-GDG022U型信號發(fā)生器，輸出峰峰值為400 mV、頻率為200 Hz的正弦波，將RIGOL-DS2102E型示波器測量的信號頻率值與本設(shè)計(jì)測量的信號頻率值記錄在表3中，并對比分析兩種測量結(jié)果的差距，計(jì)算誤差率：[（示波器測量信號頻率值-測量信號頻率值）/示波器測量信號頻率值]*100%，誤差結(jié)果取絕對值。

通過改變信號頻率，測得頻率值，并計(jì)算誤差率，結(jié)果見表3所列。從此次測量結(jié)果來看，在0.2～125 kHz之間，設(shè)計(jì)的頻率計(jì)與市面上頻率計(jì)之間的誤差在0.05%以內(nèi)。這可能是由于存在外部信號干擾、工頻干擾等影響因素。但誤差仍在可接受范圍內(nèi)。

7 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的頻率計(jì)。該頻率計(jì)由單片機(jī)主控模塊、信號波形轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙模塊與液晶屏顯示模塊組成，可以通過藍(lán)牙遠(yuǎn)程監(jiān)測信號頻率。通過系統(tǒng)測試，頻率計(jì)與市面上頻率計(jì)之間的誤差在0.05%以內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)。該頻率計(jì)適用于電子技術(shù)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]趙銀玲.基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（18）：178-180.

[2]杜娟，王睿，方偉偉.基于FPGA的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，7（4）：16-19.

[3]曹海紅. 基于藍(lán)牙模塊的U盤防丟電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動化與儀器儀表，2016，36（1）：108-109.

[4]朱志平. 基于MSP430的藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)[J]. 渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31（4）：24-32.

[5]劉希明. 基于物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)牙遙控技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)碼世界，2016，15（12）：195.

[6]朱鋒，許鵬，卜德飛，等. 一種基于藍(lán)牙通信的智能加熱系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016，5（6）：49.

[7]李淵.電壓比較器的工作原理及應(yīng)用[J].視聽，2011，6（5）：59-60.

[8]意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司. STM32F103XC/STM32F103XD/STN32F103XE 數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2014-09-30）[2015-04-17]. https：//www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103ze.pdf.

[9]郭慧敏，孟游，遲少華，等.基于Android手機(jī)手勢和語音控制的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，11（2）：216-220.

[10]趙兀君，高深圳.一種頻率信號測量方法設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2023，12（1）：76-80.

作者簡介：劉 嬌（2001—），女，湖南益陽人，本科，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像處理與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

收稿日期：2023-06-06 修回日期：2023-07-04

基金項(xiàng)目：廣西醫(yī)科大學(xué)“未來學(xué)術(shù)之星-大學(xué)生課外創(chuàng)新科研課題”（WLXSZX23077）