基于FPGA的多功能频率计的设计与实现

频率是电信号中重要的物理量，在电子、通信系统中，信号的频率稳定度决定了整个系统的性能，准确测量信号的频率是系统设计的重要内容。

单片机广泛地应用于电子系统设计，其性价比高，大量的外围接口电路，使基于单片机的电子系统设计方便，周期缩短。然而，单片机的串行工作特点决定了它的低速性和程序跑飞，另外还存在抗干扰能力不强等缺点。EDA(Electronic Design Automation)技术以计算机为工具，在Quartus II软件平台上，对以硬件描述语言Verilog HDL/VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、综合及优化、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配、编译、逻辑映射和编程下载等工作，FPGA是纯硬件结构，具有较强的抗干扰能力。

文中在FPGA芯片中嵌入MC8051 IP Core，作为控制核心，利用Verilog HDL语言进行编程，设计了以MC8051 IPCore为核心的控制模块、计数模块、锁存模块和LCD显示模块等模块电路，采用等精度测量法，实现了频率的自动测量，测量范围为0.1 Hz～50 MHz，测量误差小于0.01%。

1 8051IP(Intelligent Property)软核

8051单片机是以由VQM原码(Verilog Quartus Mapping File)表达的，在QuartusII环境下能与VHDL、Verilog HDL等其他硬件描述语言混合编译综合，并在单片FPGA中实现全部硬件系统。

MC8051单片机核含有8位复杂指令CPU，存储器采用哈佛结构，其结构框图如图1所示。

MC8051的指令系统与8051/2、8031/2等完全兼容，硬件部分也基本相同，例如可接64KB外部存储器，可接256字节内部数据RAM，含两个16位定时/计数器，全双工串口，含节省功耗工作模式，中断响应结构等。不同之处主要有：

1)MC8051是以网表文件的方式存在的，只有通过编译综合，并载入FPGA中才以硬件的方式工作，而普通8051总是以硬件方式存在的;

2)MC8051无内部ROM和RAM，所有程序ROM和内部RAM都必须外接。

3)以软核方式存在能进行硬件修改和编辑;能对其进行仿真和嵌入式逻辑分析仪实现实时时序测试;能根据设计者的意愿将CPU、RAM、ROM、硬件功能模块和接口模块等实现于同一片FPGA中(即SOC)。

4)与普通8051不同，MC8051的4个I/O口是分开的。

MC8051核在接上了ROM和RAM后就成为一个完整的8051或8052单片机了，MC8051核实用系统的最基本构建顶层原理图如图2所示，主要由4个部件构成。

1)MC8051核。CPU_Core即MC8051单片机核如图3所示，由VQM原码表述：CPU_Core.vqm，可以直接凋用。该元件可以与其他不同语言表述的元件一同综合与编译。

2)嵌入式锁相环PLL50。其输入频率设置为50 MHz，MC8051能接受的工作时钟频率上限取决于FPCA的速度级别。

3)程序ROM，LPM_ROM。采用ROM容量的大小也取决于FPGA所含的嵌入RAM的大小。设置的ROM容量是4k字节。此ROM可以加载HEX格式文件作为单片机的程序代码。HEX程序代码可以直接使用普通8051单片机程序编译器生成。

4)数据RAM，LPM_RAM。本系统设置的LPM_RAM容量是256字节。高128字节须用间接寻址方式访问。