基本介紹
- 中文名：系統匯流排頻率
- 外文名：System Bus Frequency
- 作用：多個部件間的公共連線
CPU通過前端匯流排發揮的功能,匯流排的八通道數字頻率測量系統的研製,常用測頻方法,直接計數測頻法的改進方法,CAN 匯流排概述,CAN 匯流排的基本屬性,系統結構和模組劃分,波形整形模組,基於CAN匯流排的頻率測試系統設計與實現,頻率採集,CAN 匯流排設計,軟體設計,FPGA 設計,測試軟體,
CPU通過前端匯流排發揮的功能
北橋晶片負責聯繫記憶體、顯示卡等數據吞吐量最大的部件，並和南橋晶片連線。CPU就是通過前端匯流排（FSB）連線到北橋晶片，進而通過北橋晶片和記憶體、顯示卡交換數據。前端匯流排是CPU和外界交換數據的最主要通道，因此前端匯流排的數據傳輸能力對計算機整體性能作用很大，如果沒足夠快的前端匯流排，再強的CPU也不能明顯提高計算機整體速度。數據傳輸最大頻寬取決於所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據頻寬=（匯流排頻率×數據位寬）÷8。PC機上所能達到的前端匯流排頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種，最高到2000MHz。前端匯流排頻率越大，代表著CPU與北橋晶片之間的數據傳輸能力越大，更能充分發揮出CPU的功能。CPU技術發展很快，運算速度提高很快，而足夠大的前端匯流排可以保障有足夠的數據供給給CPU，較低的前端匯流排將無法供給足夠的數據給CPU，這樣就限制了CPU性能得發揮，成為系統瓶頸。
匯流排的八通道數字頻率測量系統的研製
頻率測量作為電子學測量中最為重要的測量之一，套用非常廣泛。由於頻率信號抗干擾性強，易於傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。
許多高精度的頻率測量系統都採用單片機加上外部的高速計數器來實現。然而在這種設計中，由於PCB板的集成度不高，導致PCB面積大，信號走線長，因此難以提高計數器的工作頻率。此外，PCB板的集成度不高還會使得高頻信號容易受到外界的干擾，從而大大降低了測量的精度。
常用測頻方法
根據測頻工作原理可將頻率測量方法分成以下幾類：
第一類方法適合於模擬電路中實現，主要包括以下兩種：
（1）利用電路的某種頻率回響特性來測量頻率，諧振測頻法和電橋測頻法是這類測量方法的典型代表。前者常用於低頻段的測量，後者主要用於高頻或微波波段的測量。諧振法的優點是體積小、重量輕、不要求電源等，仍獲得廣泛套用。
（2）利用標準頻率與被測頻率進行比較來測量頻率，採用比較法測量頻率，其準確度取決於標準頻率的準確度。拍頻法、示波器法以及差頻法等均屬此類方法的範疇，它的顯著優點是測試靈敏度高。
還有一類最廣泛使用的適合於數字電路實現的計數測頻法，該方法是根據頻率定義，記下單位時間內周期信號的重複次數，又稱為電子計數器測頻法。設計中採用的改進的直接計數測頻法就屬於此類方法。
直接計數測頻法的改進方法
頻率測量部分滿足如下設計指標：
(1) 頻率測量範圍從1HZ到1MHZ。
(2) 全量程內相對誤差小於10-5。
(3) 自動選擇量程，不需要手動輸入信號頻率的範圍。
下面從系統的設計要求出發來分析系統應該採用的方案。
首先，無論是測頻法還是測周期法都需要參考信號，測頻法需要一個標準的脈寬，測周期法需要一個標準時鐘。實際上測頻法的標準脈寬必須從一個標準時鐘分頻得到。一般來說標準時鐘都是從外部晶振分頻或倍頻得到的。為了滿足相對誤差小於10-5的要求，晶振的穩定度要小於10-6，從而可以忽略標準時鐘的誤差，系統相對誤差由計數誤差決定。
CAN 匯流排概述
CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器區域網路，是國際上套用最廣泛的現場匯流排之一。
CAN是一種多主方式的串列通訊匯流排，基本設計規範要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。一個由CAN匯流排構成的單一網路中，理論上可以掛接無數個節點。實際套用中，節點數目受網路硬體的電氣特性所限制。CAN可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。
由於CAN匯流排的以上優點，CAN已經在汽車工業、航空工業、工業控制、安全防護等領域中得到了廣泛套用。
CAN 匯流排的基本屬性
1、報文的優先權 ：
在匯流排訪問期間，識別符定義一個靜態的報文優先權。標識符的大小決定了一包CAN 信息的優先權高低。
2、遠程數據請求(Remote Data Request) ：
通過傳送遠程幀，需要數據的節點可以請求另一節點傳送相應的數據幀。數據幀和相應的遠程幀是由相同的識別符命名的。
3、多主機(Multimaster) ：
匯流排空閒時，任何單元都可以開始傳送報文。具有較高優先權報文的單元可以獲得匯流排訪問權。
4、仲裁(Arbitration) ：
CAN採用非破壞性的“載波偵聽多路訪問/衝突檢測”（CSMA/CD，CarrierSense Multiple Access with Collision Detect）競爭方式解決潛在的匯流排訪問衝突，不丟失數據和頻寬。若有兩個或更多的CAN節點同時開始向匯流排傳送數據，匯流排訪問衝突通過仲裁場傳送期間位仲裁的處理方法予以解決。
5、故障界定（Fault Confinement）：
CAN節點能夠把永久故障和短暫擾動區別開來。故障的節點會被關閉。
系統結構和模組劃分
頻率測量系統作為船用海事整體系統的一個重要組成部分（一個從站），實現八通道信號頻率的實時高精度測量，並根據需要將所測得的某路信號的頻率數值通過CAN匯流排傳給主站（PC）和其他海事設備（其他從站），並接收來自主站一些控制信號。為了實現這個目的，採用帶有CAN控制器的ARM7晶片採集FPAG測得的頻率值，並將其以CAN通信協定的標準傳到CAN匯流排上。
波形整形模組
因為輸入的八通道待測信號都是模擬的正弦波，所以在進入FPGA測頻之前先要通過波形整形電路使之變成同頻率的與FPGA電平相匹配的數字脈衝矩形波。
基於CAN匯流排的頻率測試系統設計與實現
隨著計算機硬體、軟體技術及積體電路技術的迅速發展，工業測控系統已成為計算機技術套用領域中的一個重要組成部分。為滿足對套用系統可靠性和靈活性的高要求，並保證數據通信的可靠性以及通信的實時性，將採用CAN匯流排設計，並通過對被測機械設備的振動頻率數據進行採集、顯示、統計、分析，以某機械設備振動頻率測試為例，設計實現了基於CAN匯流排的振動頻率計算機測試系統。
頻率採集
頻率測量數據採集卡硬體主要由FPGA、UART、D/A模組、信號處理電路和信號調理電路組成，它主要實現頻率測試和頻率分析兩個功能。
CAN 匯流排設計
系統工作過程時CAN匯流排接口卡上電復位和初始化後，等待工控機的命令和數據，當工控機發出指令和數據時，通知CAN匯流排接口卡，CAN卡將接收到得指令分兩種方式處理， 一種是將指令作為數據寫入DPRAM中，並置位標誌位，與CAN節點建立聯繫，然後由軟體參與完成數據通信。 另一種是根據指令將數據寫入DPRAM中，並置位標誌位，隨後網路上的幀傳送自動完成。當CAN卡完成一次通信後，通知工控機，可以是查詢方式，或者是中斷方式。工控機取出數據存儲後進行後續處理。
軟體設計
測試系統軟體部分包括FPGA和計算機測試軟體兩部分。FPGA軟體開發使用quartus II作為開發平台，採用 Verilog HDL語言開發。計算機測試軟體選用Visual Basic開發，它可以實現9個通道的振動頻率測量顯示功能。
FPGA 設計
可以說，FPGA晶片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA的品種很多，在程式設計中採用ALTERA公司的EPF10K10型號FPGA晶片。頻率測試方法是採用了等精度測頻法，利用FPGA實現等精度測頻，FPGA將通過數據採集卡來完成頻率測試和頻率分析。
用戶啟動計算機後，FPGA初始化，之後等待計算機的控制信號。計算機發出“頻率測試”指令後，FPGA測量頻率信號，將測量的數據傳給計算機，計算機進行處理並顯示。計算機傳送“頻率分析”指令，計算機定時傳送指令到FPGA來改變掃頻信號的頻率，掃頻信號經過V-F轉換後輸出相應的TTL頻率信號，然後FP-GA測量輸出的頻率信號，並將數據傳給計算機，計算機根據採集的數據反算出正弦波信號，並將正弦波及其頻率回響圖顯示出來。
測試軟體
測試軟體實現機械設備頻率多通道自動測試。 用戶登錄計算機啟動程式後，系統首先自檢，並進行初始化操作， 用戶在自檢初始化完成後， 判斷電纜是否連線，假如電纜沒有連線或者連線錯誤則系統提示“電纜連線失敗，請重新連線測試電纜”，如果已經連線則進入測量頻率軟體界面。
該機械設備振動頻率測試系統軟體實現了振動頻率測試，測試系統工作穩定可靠。由於採用了CAN匯流排設計及標準信號頻率高的FPGA晶片，所以即能滿足頻率測試的高精度要求又大大提高了頻率測試的速度。結果表明該頻率測試軟體測試測試速度快且具有良好的通用性和可移植性，對頻率測量有同類要求的測試系統有較高的參考價值。
