【正点原子FPGA连载】第二十三章频率计实验

正点原子 · 发表于 2020-11-21 10:34:47

本帖最后由正点原子于 2021-1-25 18:26 编辑

1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板
2）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=624335496505
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_dafenqi.html
4）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
5）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：905624739点击加入:

第二十三章频率计实验

数字频率计是一种基本的测量仪器，被广泛应用于航天、电子、测控等领域。基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，在使用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。本章我们通过达芬奇开发板搭建等精度频率计，学习等精度频率计的设计思想和实现方案。
本章分为以下几个章节：
2323.1简介
23.2实验任务
23.3硬件设计
23.4程序设计
23.5下载验证

23.1简介
频率测量在电子设计和测量领域中经常用到，因此对频率测量方法的研究在实际工程应用中具有重要意义。常用的频率测量方法有两种：周期测量法和频率测量法。周期测量法是先测量出被测信号的周期T，然后根据频率求出被测信号的频率。频率测量法是在时间t内对被测信号的脉冲数N进行计数，然后求出单位时间内的脉冲数，即为被测信号的频率。但是上述两种方法都会产生±1个基准时钟误差或被测时钟的误差，在实际应用中有一定的局限性。根据测量原理，很容易发现周期测量法适合于低频信号测量，频率测量法适合于高频信号测量，但二者都不能兼顾高低频率同样精度的测量要求。
等精度测量的一个最大特点是测量的实际门控时间不是一个固定值，而是一个与被测信号有关的值，刚好是被测信号的整数倍。在计数允许时间内，同时对基准时钟和被测信号进行计数，再通过数学公式推导得到被测信号的频率。由于门控信号是被测信号的整数倍，就消除了对被测信号产生的±l周期误差，但是会产生对基准时钟±1周期的误差。等精度测量原理如图 23.1.1所示。

图 23.1.1 等精度测量原理
从以上叙述的等精度的测量原理可以很容易得出如下结论：首先，被测信号频率clk_fx的相对误差与被测信号的频率无关；其次，增大测量时间段“软件闸门”或提高“标频”clk_fs，可以减小相对误差，提高测量精度；最后，由于一般提供基准时钟clk_fs的石英晶振稳定性很高，所以基准时钟的相对误差很小，可忽略。假设基准时钟的频率为100MHz，只要实际闸门时间大于或等于1s，就可使测量的最大相对误差小于或等于10^(-8)，即精度达到1/100MHz。等精度测量的核心思想在于如何保证在实际测量门闸内被测信号为整数个周期，这就需要在设计中让实际测量门闸信号与被测信号建立一定的关系。基于这种思想，设计中以被测信号的上升沿作为开启门闸和关闭门闸的驱动信号，只有在被测信号的上升沿才将图 23.1.1中预置的“软件闸门”的状态锁存，因此在“实际闸门”Tx内被测信号的个数就能保证整数个周期，这样就避免普通测量方法中被测信号的±1的误差，但会产生高频的基准时钟信号的±l周期误差，由于基准时钟频率远高于被测信号，因此它产生的±1周期误差对测量精度的影响十分有限，特别是在中低频测量的时候，相较于传统的频率测量和周期测量方法，可以大大提高测量精度。
等精度测频的原理图如图 23.1.2所示。如图中所示，预置软件闸门信号Gate是由达芬奇开发板的定时模块产生，gate的时间宽度对测频精度的影响较小，故可以在较大的范围内选择，GATE信号经被测时钟clk_fx同步化（图中的D触发器）到被测时钟域下。另外，为了方便处理，这里选择预置闸门信号的长度由参数GATE_TIME设置。图中的fs_cnt和fx_cnt是2个可控的32位高速计数器，fs_cnt_en和fx_cnt_en分别是其计数使能端，由同步化后的gate信号控制，基准时钟信号clk_fs从时钟输入端clk_fs输入，待测信号clk_fx从时钟输入端clk_fx输入。测量时，生成的gate信号，在被测时钟同步化后用来控制启动和关闭2个计数器，2个计数器分别对被测信号和基准时钟计数。若在一次实际闸门时间GATE_TIME中，计数器对被测信号的计数值为fx_cnt，对基准时钟的计数值为fs_cnt，而基准时钟的频率为CLK_FS，则被测信号的频率为clk_fx，则由公式

图 23.1.2 是达芬奇开发板实现功能的原理图。

图 23.1.2 达芬奇实现的功能的原理图

23.2实验任务
本次的实验任务是板载50MHz的时钟通过内部逻辑进行分频，来产生500KHz频率的信号，作为被测时钟，然后用Verilog HDL编写的等精度测量模块测量被测时钟，并通过LCD显示。
23.3硬件设计
本次实验只需将达芬奇开发板J2扩展口的两个IO使用跳帽或者杜邦线连接即可。本次实验将达芬奇开发板的B15_L23_P引脚做为分频产生的时钟的输出端，B15_L23_N引脚作为被测时钟的输入端，通过一根导线（杜邦线）或者跳帽进行连接。

图 23.3.1 硬件原理图

由于端口引脚较多，这里仅给出部分管脚列表，如下表所示：
表 23.3.1 等精度频率计实验管脚分配
信号名       方向       管脚       端口说明       电平标准
sys_clk       input       R4       系统时钟，50M       LVCMOS33
sys_rst_n       input       U2       系统复位，低有效       LVCMOS33
clk_fx       input       K16       被测时钟       LVCMOS33
clk_out       output       L16       输出时钟       LVCMOS33
XDC约束语句如下:
set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U2 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk_fx]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk_out]
23.4程序设计
根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：首先我们设计一个测试时钟模块用于生成被测的时钟，然后用等精度频率计模块测量被测时钟的频率，并将测得的时钟频率值送入LCD显示模块进行显示。由此画出系统的功能框图如下所示：

图 23.4.1 等精度频率计实验系统框图

由系统框图可知，FPGA部分包括四个模块：顶层模块（top_cymometer）、等精度频率计模块（cymometer）、时钟产生模块（clk_test）以及LCD显示模块（lcd_rgb_char）。各模块功能如下：
顶层模块（top_cymometer）：顶层模块完成了对其它三个模块的例化，实现各模块之间的数据交互。时钟产生模块产生被测时钟输出，并从外部接入至等精度频率计模块，以进行频率测量，将测量的结果传输给LCD显示模块进行显示。顶层模块的原理图如下图所示：

图 23.4.2 顶层模块原理图

等精度频率计模块（cymometer）：等精度频率计模块测量输入的被测时钟的频率。并将测得的频率结果输出。
时钟产生模块（clk_test）：时钟产生模块产生被测的时钟。
LCD显示模块（lcd_rgb_char）：将等精度频率计测得的时钟频率值在LCD上显示出来。
顶层模块的代码如下：

1 module top_cymometer(
2 //system clock
3 input sys_clk , // 时钟信号
4 input sys_rst_n, // 复位信号
5
6 //cymometer interface
7 input clk_fx , // 被测时钟
8 output clk_out , // 输出时钟
9
10 //RGB-LCD接口
11 output lcd_hs , //LCD 行同步信号
12 output lcd_vs , //LCD 场同步信号
13 output lcd_de , //LCD 数据输入使能
14 inout [23:0] lcd_rgb , //LCD RGB565颜色数据
15 output lcd_bl , //LCD 背光控制信号
16 output lcd_clk //LCD 采样时钟
17
18 );
19
20 //parameter define
21 parameter CLK_FS = 26'd50000000; // 基准时钟频率值
22
23 //wire define
24 wire [19:0] data_fx; // 被测信号测量值
25
26 //*****************************************************
27 //** main code
28 //*****************************************************
29
30 //例化等精度频率计模块
31 cymometer #(.CLK_FS(CLK_FS) // 基准时钟频率值
32 ) u_cymometer(
33 //system clock
34 .clk_fs (sys_clk ), // 基准时钟信号
35 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
36 //cymometer interface
37 .clk_fx (clk_fx ), // 被测时钟信号
38 .data_fx (data_fx ) // 被测时钟频率输出
39 );
40
41 //例化测试时钟模块，产生测试时钟
42 clk_test #(.DIV_N(7'd100) // 分频系数
43 ) u_clk_test(
44 //源时钟
45 .clk_in (sys_clk ), // 输入时钟
46 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号
47 //分频后的时钟
48 .clk_out (clk_out ) // 测试时钟
49 );
50
51 //例化LCD显示模块
52 lcd_rgb_char u_lcd_rgb_char
53 (
54 .sys_clk (sys_clk),
55 .sys_rst_n (sys_rst_n),
56 .data (data_fx),
57 //RGB-LCD接口
58 .lcd_hs (lcd_hs), //LCD 行同步信号
59 .lcd_vs (lcd_vs), //LCD 场同步信号
60 .lcd_de (lcd_de), //LCD 数据输入使能
61 .lcd_rgb (lcd_rgb), //LCD RGB565颜色数据
62 .lcd_bl (lcd_bl), //LCD 背光控制信号
63 .lcd_clk (lcd_clk) //LCD 采样时钟
64 );
65
66 endmodule

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顶层代码主要完成对各模块的例化并实现模块信号间的交互。第21行的基准时钟频率值参数为基准时钟频率值，当用不同的基准时钟时修改此参数即可。
时钟产生模块的代码如下：

1 module clk_test #(parameter DIV_N = 7'd100) //分频系数
2 (
3 //源时钟
4 input clk_in , // 输入时钟
5 input rst_n , // 复位信号
6 //分频后的时钟
7 output reg clk_out // 输出时钟
8 );
9
10 //reg define
11 reg [9:0] cnt; // 时钟分频计数
12
13 //*****************************************************
14 //** main code
15 //*****************************************************
16
17 //时钟分频，生成500KHz的测试时钟
18 always @(posedge clk_in or negedge rst_n) begin
19 if(rst_n == 1'b0) begin
20 cnt <= 0;
21 clk_out <= 0;
22 end
23 else begin
24 if(cnt == DIV_N/2 - 1'b1) begin
25 cnt <= 10'd0;
26 clk_out <= ~clk_out;
27 end
28 else
29 cnt <= cnt + 1'b1;
30 end
31 end
32
33 endmodule

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时钟产生模块通过分频产生被测时钟，这里是用偶数分频方法产生，修改代码第一行的DIV_N分频参数，可得到不同频率的时钟信号，时钟频率为。由于该模块在顶层例化时clk_in为系统时钟50MHz，分频参数为100，产生的时钟频率为50000000/100 = 500000Hz。
等精度频率计模块的代码如下：

1 module cymometer
2 #(parameter CLK_FS = 26'd50_000_000) // 基准时钟频率值
3 ( //system clock
4 input clk_fs , // 基准时钟信号
5 input rst_n , // 复位信号
6
7 //cymometer interface
8 input clk_fx , // 被测时钟信号
9 output reg [19:0] data_fx // 被测时钟频率输出
10 );
11
12 //parameter define
13 localparam MAX = 6'd32; // 定义fs_cnt、fx_cnt的最大位宽
14 localparam GATE_TIME = 16'd5_000; // 门控时间设置
15
16 //reg define
17 reg gate ; // 门控信号
18 reg gate_fs ; // 同步到基准时钟的门控信号
19 reg gate_fs_r ; // 用于同步gate信号的寄存器
20 reg gate_fs_d0 ; // 用于采集基准时钟下gate下降沿
21 reg gate_fs_d1 ; //
22 reg gate_fx_d0 ; // 用于采集被测时钟下gate下降沿
23 reg gate_fx_d1 ; //
24 reg [ 63:0] data_fx_t ; //
25 reg [ 15:0] gate_cnt ; // 门控计数
26 reg [MAX-1:0] fs_cnt ; // 门控时间内基准时钟的计数值
27 reg [MAX-1:0] fs_cnt_temp ; // fs_cnt 临时值
28 reg [MAX-1:0] fx_cnt ; // 门控时间内被测时钟的计数值
29 reg [MAX-1:0] fx_cnt_temp ; // fx_cnt 临时值
30
31 //wire define
32 wire neg_gate_fs; // 基准时钟下门控信号下降沿
33 wire neg_gate_fx; // 被测时钟下门控信号下降沿
34
35 //*****************************************************
36 //** main code
37 //*****************************************************
38
39 //边沿检测，捕获信号下降沿
40 assign neg_gate_fs = gate_fs_d1 & (~gate_fs_d0);
41 assign neg_gate_fx = gate_fx_d1 & (~gate_fx_d0);
42
43 //门控信号计数器，使用被测时钟计数
44 always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin
45 if(!rst_n)
46 gate_cnt <= 16'd0;
47 else if(gate_cnt == GATE_TIME + 5'd20)
48 gate_cnt <= 16'd0;
49 else
50 gate_cnt <= gate_cnt + 1'b1;
51 end
52
53 //门控信号，拉高时间为GATE_TIME个实测时钟周期
54 always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin
55 if(!rst_n)
56 gate <= 1'b0;
57 else if(gate_cnt < 4'd10)
58 gate <= 1'b0;
59 else if(gate_cnt < GATE_TIME + 4'd10)
60 gate <= 1'b1;
61 else if(gate_cnt <= GATE_TIME + 5'd20)
62 gate <= 1'b0;
63 else
64 gate <= 1'b0;
65 end
66
67 //将门控信号同步到基准时钟下
68 always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin
69 if(!rst_n) begin
70 gate_fs_r <= 1'b0;
71 gate_fs <= 1'b0;
72 end
73 else begin
74 gate_fs_r <= gate;
75 gate_fs <= gate_fs_r;
76 end
77 end
78
79 //打拍采门控信号的下降沿（被测时钟下）
80 always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin
81 if(!rst_n) begin
82 gate_fx_d0 <= 1'b0;
83 gate_fx_d1 <= 1'b0;
84 end
85 else begin
86 gate_fx_d0 <= gate;
87 gate_fx_d1 <= gate_fx_d0;
88 end
89 end
90
91 //打拍采门控信号的下降沿（基准时钟下）
92 always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin
93 if(!rst_n) begin
94 gate_fs_d0 <= 1'b0;
95 gate_fs_d1 <= 1'b0;
96 end
97 else begin
98 gate_fs_d0 <= gate_fs;
99 gate_fs_d1 <= gate_fs_d0;
100 end
101 end
102
103 //门控时间内对被测时钟计数
104 always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin
105 if(!rst_n) begin
106 fx_cnt_temp <= 32'd0;
107 fx_cnt <= 32'd0;
108 end
109 else if(gate)
110 fx_cnt_temp <= fx_cnt_temp + 1'b1;
111 else if(neg_gate_fx) begin
112 fx_cnt_temp <= 32'd0;
113 fx_cnt <= fx_cnt_temp;
114 end
115 end
116
117 //门控时间内对基准时钟计数
118 always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin
119 if(!rst_n) begin
120 fs_cnt_temp <= 32'd0;
121 fs_cnt <= 32'd0;
122 end
123 else if(gate_fs)
124 fs_cnt_temp <= fs_cnt_temp + 1'b1;
125 else if(neg_gate_fs) begin
126 fs_cnt_temp <= 32'd0;
127 fs_cnt <= fs_cnt_temp;
128 end
129 end
130
131 //计算被测信号频率
132 always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin
133 if(!rst_n) begin
134 data_fx_t <= 64'd0;
135 end
136 else if(gate_fs == 1'b0)
137 data_fx_t <= CLK_FS * fx_cnt ;
138 end
139
140 always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin
141 if(!rst_n) begin
142 data_fx <= 20'd0;
143 end
144 else if(gate_fs == 1'b0)
145 data_fx <= data_fx_t / fs_cnt ;
146 end
147
148 endmodule

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在前面的等精度频率计简介中，我们知道在等精度测量中需要一个闸门信号（门控信号），并且该闸门信号需要同步化到被测时钟域下。这里我们为了方便处理，用被测时钟控制闸门信号的产生，这样就避免了同步化处理，当然了，完全可以用基准时钟控制闸门信号的产生，不过这时产生的闸门信号我们需要同步化到被测时钟域下，这样做的目的是为了不让被测时钟计数产生周期的误差。门控时间由参数GATE_TIME设置，此处设为5000，需要说明的是该值越大测得的被测时钟频率值越精确，但测量时间也会相应的变慢一些。另外因为闸门信号是由被测时钟产生的，当测量频率较高的信号或者说信号频率大于10KHz（此值跟门控时间有关）时是不会有什么问题的，但当测量低频信号像Hz级这种，如果门控时间设置的大的话，测量时间就会非常长，此时可修改门控时间的值，为被测时钟频率的5~10倍即可，对于几十KHz及以上的时钟信号，门控时间的大小对测量速度的影响较小，频率越高影响越小，但对测量精度影响较大，因而在测量频率较高的信号时，建议增大门控时间。
代码中为了防止复位对测量造成的干扰，门控信号在复位后延迟了10个被测信号的周期（第55~58行）。另外计算被测信号频率是在基准时钟下的门控信号为低电平时进行。
建立了门控信号之后，我们需要通过门控信号分别使能基准时钟和被测时钟的计数。因为门控信号对基准时钟而言是异步信号，所以这里我们对门控信号进行了两次打拍处理得到基准频率下的门控信号gate_fs（代码第68行的always语句块）。在门控信号的下降沿将计数值寄存并清零计数寄存器。
在取得数值后，我们需要计算被测信号的频率值，由于在计算周期内数值已不再发生变化（计数值已寄存），而且保留了足够的计算时间，所以可以不用FIFO进行异步处理。计算完之后，把所得的结果赋给寄存器变量data_fx，其数值的单位为Hz。
LCD显示部分的代码和“RGB-LCD字符和图片显示”实验的代码基本是一模一样的，唯一不同的地方在于lcd_display模块。
lcd_display模块的代码如下所示：

1 module lcd_display(
2 input lcd_clk, //lcd驱动时钟
3 input sys_rst_n, //复位信号
4
5 input [19:0] data ,
6
7 input [10:0] pixel_xpos, //像素点横坐标
8 input [10:0] pixel_ypos, //像素点纵坐标
9 output reg [23:0] pixel_data //像素点数据,
10 );
11
12 //parameter define
13 localparam CHAR_POS_X = 11'd1; //字符区域起始点横坐标
14 localparam CHAR_POS_Y = 11'd1; //字符区域起始点纵坐标
15 localparam CHAR_WIDTH = 11'd64; //字符区域宽度
16 localparam CHAR_HEIGHT = 11'd16; //字符区域高度
17
18 localparam WHITE = 24'b11111111_11111111_11111111; //背景色，白色
19 localparam BLACK = 24'b00000000_00000000_00000000; //字符颜色，黑色
20
21 //reg define
22 reg [127:0] char [11:0] ; //字符数组
23
24 //wire define
25 wire [3:0] data0 ; // 十万位数
26 wire [3:0] data1 ; // 万位数
27 wire [3:0] data2 ; // 千位数
28 wire [3:0] data3 ; // 百位数
29 wire [3:0] data4 ; // 十位数
30 wire [3:0] data5 ; // 个位数
31
32 //*****************************************************
33 //** main code
34 //*****************************************************
35
36 assign data5 = data / 17'd100000; // 十万位数
37 assign data4 = data / 14'd10000 % 4'd10; // 万位数
38 assign data3 = data / 10'd1000 % 4'd10 ; // 千位数
39 assign data2 = data / 7'd100 % 4'd10 ; // 百位数
40 assign data1 = data / 4'd10 % 4'd10 ; // 十位数
41 assign data0 = data % 4'd10; // 个位数
42
43 //给字符数组赋值，用于存储字模数据
44 always @(posedge lcd_clk) begin
45 char[0 ] <= 128'h00000018244242424242424224180000 ; // "0"
46 char[1 ] <= 128'h000000107010101010101010107C0000 ; // "1"
47 char[2 ] <= 128'h0000003C4242420404081020427E0000 ; // "2"
48 char[3 ] <= 128'h0000003C424204180402024244380000 ; // "3"
49 char[4 ] <= 128'h000000040C14242444447E04041E0000 ; // "4"
50 char[5 ] <= 128'h0000007E404040586402024244380000 ; // "5"
51 char[6 ] <= 128'h0000001C244040586442424224180000 ; // "6"
52 char[7 ] <= 128'h0000007E444408081010101010100000 ; // "7"
53 char[8 ] <= 128'h0000003C4242422418244242423C0000 ; // "8"
54 char[9 ] <= 128'h0000001824424242261A020224380000 ; // "9"
55 char[10] <= 128'h000000E7424242427E42424242E70000 ; // "H"
56 char[11] <= 128'h000000000000007E44081010227E0000 ; // "z"
57 end
58
59 //给不同的区域赋值不同的像素数据
60 always @(posedge lcd_clk ) begin
61 if (!sys_rst_n) begin
62 pixel_data <= BLACK;
63 end
64 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X)
65 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*1)
66 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
67 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
68 if(char [data5] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
69 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
70 pixel_data <= BLACK; //显示字符为黑色
71 else
72 pixel_data <= WHITE; //显示字符区域背景为白色
73 end
74 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*1)
75 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*2)
76 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
77 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
78 if(char [data4] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
79 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
80 pixel_data <= BLACK;
81 else
82 pixel_data <= WHITE;
83 end
84 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*2)
85 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*3)
86 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
87 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
88 if(char [data3] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
89 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
90 pixel_data <= BLACK;
91 else
92 pixel_data <= WHITE;
93 end
94 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*3)
95 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*4)
96 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
97 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
98 if(char [data2] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
99 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
100 pixel_data <= BLACK;
101 else
102 pixel_data <= WHITE;
103 end
104 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*4)
105 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*5)
106 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
107 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
108 if(char [data1] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
109 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
110 pixel_data <= BLACK;
111 else
112 pixel_data <= WHITE;
113 end
114 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*5)
115 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*6)
116 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
117 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
118 if(char [data0] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
119 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
120 pixel_data <= BLACK;
121 else
122 pixel_data <= WHITE;
123 end
124 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*6)
125 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*7)
126 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
127 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
128 if(char [10] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
129 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
130 pixel_data <= BLACK;
131 else
132 pixel_data <= WHITE;
133 end
134 else if( (pixel_xpos >= CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH/8*7)
135 && (pixel_xpos < CHAR_POS_X + CHAR_WIDTH)
136 && (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y)
137 && (pixel_ypos < CHAR_POS_Y + CHAR_HEIGHT) ) begin
138 if(char [11] [ (CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y - pixel_ypos)*8
139 - ((pixel_xpos-CHAR_POS_X)%8) -1 ] )
140 pixel_data <= BLACK;
141 else
142 pixel_data <= WHITE;
143 end
144 else begin
145 pixel_data <= WHITE; //绘制屏幕背景为白色
146 end
147 end
148
149 endmodule

复制代码

lcd_display模块实现的功能还是根据当前像素点的坐标，送出该像素点应该显示的数据，这里把像素的颜色数据设置为黑色或白色，字符部分为黑色，其他背景色为白色。代码中的第36-41行是计算频率值的十进制数的各个位上的值，它们就是要在LCD上显示的6个数字。44行的always块用于存储字模数据。最后的第60行的always块就是主要的逻辑功能，它根据当前像素点坐标所在的字符坐标的范围，来计算当前像素点是否应该显示有效字符，即黑色。
至此，我们的设计部分已基本完成，现在我们来做一下误差分析。

(1-3)

其中clk_fxe为被测频率信号的准确值。
在测量中，由于clk_fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门时间GATE_TIME内对clk_fx的计数fx_cnt无误差()；对clk_fs的计数fs_cnt最多相差一个时钟的误差，即|Δfs_cnt|≤1,其测量频率如式(1-4):

(1-4)

将式(1-2)和(1-4)代入式(1-3)，并整理如式

(1-5)

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和基准时钟频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，基准时钟频率越高，测频的相对误差就越小。基准时钟频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高基准时钟频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。
23.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件。将达芬奇开发板的K16引脚和L16引脚，用一根杜邦线或者跳帽连接起来，并连接好LCD排线的接口。将下载器一端连电脑，另一端与开发板上的JTAG端口连接，连接电源线并打开电源开关。
下载完成后LCD上面显示“500000Hz”，如下图所示，与时钟产生模块产生的时钟频率一致，等精度频率计实验下载验证成功。

图 23.5.2 实验结果

【正点原子FPGA连载】第二十三章频率计实验

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