基于FPGA软核设计的数字频率计研究与实现开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1毕业设计(论文)选题目的及意义

在现代电子测量技术领域，频率测量是基本且极其重要的测量之一。许多工程测量，诸如振动导线力测量法、时间测量、速度测量、速度管控等，都涉及到频率的测量。常用的直接测频方法和间接测频方法（测周法）均会产生被测信号的最大±1周期误差，并且针对某一频段才有较高的精确度，在现实应用中有很大的局限性，而在直接测频法的基础上拓展而来的等精度测频法，有着测频区域内恒定的精确度，并且它测量精度高、频段宽，已逐步取代传统测频方法成为当今频率检测方法中的主流。

伴随EDA技术和大规模可编程器件的进一步发展，电子设计的方法和实现技术趋向多元化，设计手段不断更新，硬件和软件的结合已成为主流。由于可编程片上系统SOPC将传统的EDA技术、嵌入式系统等融为一体，在结构上凝为单芯片，目前已成为现代电子技术和电子系统设计中确实可行的、重要的设计方法。基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核，Nios II处理器系统的外设配置具备很大的灵活性，设计者能够按照自己系统的设计需要来添加必要的外围设备，NiosII软核处理器能与用户逻辑相结合，编程至Altera的FPGA中，减少了用户的系统总成本。无论是外围设备、存储器接口、功能特性，乃至成本，这些优势的体现都借助于在Altera的FPGA上创建一个定制的片上系统，或者更精确地说，创建一个可编程单芯片系统。等精度数字频率计有多种实现方法，大多以FPGA为测量核心，外加MCU实现数字处理和人机接口，具备快速准确、集成度高的特点，设计人员只需要完成对系统整体性能的描绘，就可以由计算机软件进行处理，从而得到设计、仿真的结果，而且修改设计如同修改软件一样方便，可以极大地提高设计效率。

1.2国内外关于该选题的研究现状和发展趋势

随着科学技术的不断发展，国内外学者对频率计的主要研究在于测量速度精度、功能强化、微型智能等方面。西南民族大学的刘家玮等人提出了自定义的通信协议来实现FPGA和STM32的联系，并且利用FIFO作为备用的通信通道，使得单片机与FPGA联合实现的数字频率计的系统速度得到了提高。电子科技大学的张前毅等人在研究了雷达综合测试仪的测频功能下，提出了利用鉴相技术进一步提高测频精度的理论，但该方法有电路复杂、性价比的缺陷。天津大学的任丽棉等人，为了改善离散数字信号处理中因信号截断产生的误差，将全相位FFT技术和频谱校正应用到频率计的设计中，实现了更高精度的频率测量。中国人民解放军陆军后勤大学的沈廷敖等人在研究了现有的离散傅立叶变换（DFT）谱分析方法测量超高频和超低频等极端频率产生的明显相位差误差，提出了一种新的极频信号滑动DFT相位差测量方法，对极端频率信号进行频谱分析，采用矩形自卷积窗（RSCWs）抑制频谱泄漏，消除了FFT方法的偏差，始终获得最优性能，但该方法技术尚未成熟，还需进一步研究。郑州大学的郝统关等人在频率计原有测频功能的基础上，增加了脉冲宽度、占空比等的测量，实现了频率计的功能强化。南京邮电大学的曹开田等人对仪器的虚拟化进行研究，并据此设计出基于图形化编程环境LabVIEW的虚拟频率计。河南科技大学的金宁宁等人，摒弃了单片机采用定时方法进行频率测量的复杂，提出了利用AVR单片机的输入捕捉功能单元，简化了传统频率计电路板的设计。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容与研究目标

设计并制作一个6位数字频率计，主控部分应用fpga软核nios ii实现，附加必要的外围设备拓展（如测量结果显示、波形必要调整等）；被测信号的频率范围0~999999hz；具有自动换挡功能；分别使用测频、测周和等精度测量方法实现频率计，并比较三种频率计的优缺点。

2.2拟采用的技术方案及措施

2.2.1技术方案

本次设计考虑到测量频段宽、精度较高且稳定等的需要，故而基于fpga的等精度测频原理来实现数字频率计，采用自顶向下的设计，将系统按功能进行层次化设计，采用闸门测量技术完成被测信号频率参数的测量，使用 vhdl硬件描述语言设计功能模块，使得基于运用sopc技术配置的nios ii软核设计的等精度数字频率计兼具微处理器系统和fpga系统两者的优点。通过在fpga上采用vhdl硬件描述语言实现数字逻辑模块（包括逻辑控制、测频计数、数据锁存等），通过fpga内嵌的nios ii软核处理器完成用户接口、数据处理、输出显示等任务，从而完成频率测量功能。

2.2.2研究措施

（1）收集并查阅数字频率计的相关资料，对fpga的应用设计情况进行熟悉了解；了解不同的设计实现方法，确定本课题的研究和实现方案，然后对方案中的各个单元进行必要的分析和研究。

3. 研究计划与安排

第1周—第1周 搜集资料，文献翻译，英文资料翻译；

第2周—第2周 撰写文献综述；

第3周—第3周 撰写开题报告；

第4周—第4周 论文第一章绪论撰写。上传英文资料翻译，上传开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 强波.浅析数字频率计设计[j]. 科技创新导报，2012(21).

[2] 张国勤.基于单片机与fpga的等精度频率计设计[j]. 四川兵工学报，2015 (12).

[3] 崔凯，杨天虹，席贯，等.基于fpga和单片机的高精度数字频率计的设计与实现[j]. 数字技术与应用，2019(11).

[4] 李光学，孙宇伟，何雨昂，等.基于sopc技术的综合电子系统应用[j]. 电子技术与软件工程，2019(14).