PIC-Lernbeispiel: 10 Hz .. 9999 Hz-Frequenzzähler
mit 4-stelliger 7-Segment-LED-Anzeige

- Frequenzbereich   10 Hz bis 9999 Hz - Auflösung 1 Hz - Genauigkeit 2 Hz - Anzeige 4 Stellen auf LED - Eingangspegel-Low < 1V Eingangspegel-High > 4V - Stromaufnahme < 100 mA

funktioniert hier die Zählmethode?
Ich habe schon in einigen Beispielen Frequenzen mit Hilfe des Timers0 mit der Zählmethode gemessen. Funktioniert das auch für niedrige Frequenzen? Da eine multiplex angesteuerte LED-Anzeige (die ja auch den Timer0 benutzt) die Frequenzmessung nach der Zählmethode behindert, müsste die Anzeige während der Frequenzmessung abgeschaltet werden. Damit das nicht als störendes Flackern sichtbar wird, kann nur eine sehr kurze Messzeit (Zählzeit) gewählt werden. Dadurch ist die Messgenauigkeit nicht sehr hoch. Mit einer Zählzeit von z.B. 10 ms erreicht man eine Messgenauigkeit von nur 100 Hz. (Messauflösung ist das Reziprok der Zählzeit.) Das ist nicht akzeptabel. Längere Zählzeiten führen aber zum deutlich sichtbaren Flackern des Displays. Damit scheidet die Zählmethode hier aus

Messung der Periodendauer Alternativ kann man die Periodendauer des Eingangssignals messen, und daraus die Frequenz errechnen. Zur Messung der Periodendauer verwende ich das Capture-Modul des PIC16F628. Das Capturemodul behindert nicht die  LED-Anzeige und verwendet nicht den Timer0. Messung und Anzeige können deshalb parallel erfolgen. Das Capturemodul besteht im Wesentlichen aus dem Timer1, der mit z.B. 625 kHz getaktet wird. Dieser Takt wird aus dem 20-MHz-PIC-Takt gewonnen, indem er erst durch 4 (Zyklustakt) und dann durch 8 (Vorteiler des Timer1) geteilt wird. Beim Eintreffen eines Pulses vom Eingang RB3 wird der Timer1 per Software auf 0 gesetzt. Dann zählt er mit 625 kHz. Alle 1,6 Mikrosekunden erhöht sich der Wert des Timers um 1. Beim Eintreffen des nächsten Pulses wird der Timer1 (via Capture Modul) ausgelesen. Durch das Setzen des Bits CCP1IF wird ein Interrupt ausgelöst, in dem der "gecapturete" 16-Bit-Zählwert (CCPR1H & CCPR1L) aus dem Captureregister ausgelesen wird, und nur für Berechnungen zur Verfügung steht.

untere Frequenzgrenze
Bei Frequenzen unterhalb 9,54 Hz überschreitet das Zählergebnis den Wert 65535 und wird somit länger als 16 Bit. Der Timer1 ist aber nur 16 Bit lang. Eine Softwareerweiterung des Timer1 auf 24 Bit wäre deshalb erforderlich, um Frequenzen unterhalb von 10 Hz zu messen. Darauf verzichte ich. Der Zähler wird also erst ab ca. 10 Hz arbeiten.

Um aus diesem Messwert die Frequenz in Herz zu berechnen, muss der Reziprokwert des Zählergebnisses berechnet werden, und dieser Wert mit 2500000 oder 10000000 multipliziert werden. Also gilt:

Die obige Tabelle zeigt die erzielbare Auflösung unter Anwendung des Vorteilers. Der 4:1-Vorteiler garantiert 1 Hz Auflösung nur bis etwa 1000 Hz, so dass sich gleich der 16:1-Vorteiler empfiehlt. Damit kann bis zu 3000 Hz eine Auflösung von 1 Hz erreicht werden. Danach steigt die Auflösung auf bis zu 10 Hz am Messbereichsende an.

Ein besseres Ergebnis lässt sich durch einen höheren Takt für den Timer 1 erreichen.Bei Nutzung eines 20-MHz-Quarzes stehen für den Timer1  die Frequenzen 5 MHz, 2,5 MHz, 1,25 kHz und 625 kHz zur Auswahl. Mit 5 MHz-Zähltakt wäre der Auflösungsfehler bei 9999 Hz-Messfrequenz auf etwa 1,25 Hz verringert. Die Formeln zur Frequenzberechnung sehen dann wie folgt aus:

Durch eine Verzögerung wird erreicht, dass maximal 4 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden, damit das Display nicht zu unruhig wird.Diese Verzögerung ist an die Multiplexfrequenz des LED-Displays gekoppelt.

Die Bibliotheksfunktion verwendet eine ganze Reihe von Rechenregistern (siehe MATH16.INC) die im RAM des 16F628 den Bereich von 0x20 bis 0x4B belegen. Dieser Bereich bleibt also für den Rest der Software tabu. Erst ab 0x4C kann ich eigene Variablen definieren.
Bevor ich nun eine Division durchführe, kopiere ich meine Zahlen in die richtigen Rechenregister des Routine (AARGB3...0 und BARGB2...0), und rufe die Routine auf. Das Ergebns steht dann in AARGB3...1.

Wenn man von vornherein bei der Programmentwicklung beabsichtig, eine Bibliotheksfunktion zu nutzen, dann kann man auch gleich die Register der Funktion in der eigenen Software nutzen. Ich habe aber die Biblitheksfunktion zu einem recht späten Zeitpunkt in das Programm hineingebaut, um die Berechnung zu beschleunigen. Dadurch musste ich diese umfangreichen Kopierereien in der Routine Div24 verwenden. Nun ja, im Ergebnis habe ich eine schnelle Divisionsroutine.

Nach dieser Definition können Ziffer0_aus und Ziffer0_an im Quelltext verwendet werden, und der Assembler setzt selbsttätig dafür die richtigen bcf- oder bsf-Befehle ein. Das verbesser die Lesbarkeit des Codes.

Es gibt auch noch eine #else-Direktive. Mit der sich eine #ifdef-#else-#endif -Konstruktion bauen lässt, die zwei alternative Programmblöcke enthält. Ja nachdem ob der hinter #ifdef stehende Bezeicher bekannt ist, wird der Programmblock zwischen #ifdef und #else oder der Programmblock zwischen #else und #endif verwendet.
Das Folgende Beispiel ist ein Ausschnitt aus dem Frequenzzählerprogramm. Es definiert 8 Makros. Je nachdem, ob der Bezeichner "Treiber" definiert ist, werden die 8 Makros aber unterschiedlich definiert.

Eine einfache (wenn auch nicht sehr elegante) Lösung des Problems ist der Einsatz des Watchdogtimers (WDT). Dieser wird in der Konfiguration aktiviert, und er würde immer nach ca. 18ms einen Reset des PICs auslösen, wenn er nicht regelmäßig durch den Befehl clrwdt  zurückgesetzt werden würde. Das Zurücksetzen erfolgt immer dann, wenn durch den Timer0 die Displaymultiplexroutine aufgerufen wird. Da dieser Aufruf normalerweise alle 3,3ms erfolgt, bekommt der WDT also normalerweise auch nichts zu tun. Nur wenn extrem hohe Eingangsfrequenzen das Multiplexen blockieren, wird der PIC neu gestartet, was im Display ein '----' oder '____' erzeugt.

Kann man nicht auf die Treibertransitoren verzichten? Im Prinzip schon, dann muss der PIC aber den Gesamtstrom des Displays verkraften. Wie man an nebenstehender Schaltung erkennt, müssen RA0..RA3 den Strom von bis zu 7 Segmenten liefern. Aus diesem Grunde müssen die Segmentströme klein gewählt werden, und die strombegrenzenden Segmentwiderstände müssen entsprechend groß ausgelegt werden. Widerstände von 680 Ohm bewirken Segmentströme von je 5 mA. Die Pins RA0..RA3 werden kurzfristig mit bis zu 35mA belastet. Aufgrund des Multiplexverfahrens ist das noch zulässig, der Durchschnittsstrom liegt dabei immer unter 6mA. Die geringen Ströme erfordern hocheffektive Displays. Ein geeigneter Typ ist das Display "Kingsbright SA39-11SRWA", das bei Reichelt für unter der Bezeichnung "SA39-11 RT" für etwa 0,50 Euro/Stück erhältlich ist. Die nötige Anpassung der Software beschränkt sich auf eine Invertierung der Signale an den Pins RA0..RA3.

• Assemblerlisting (+ Bibliotheken) und HEX-File (14 kB)

• Assemblerlisting (+ Bibliotheken) und HEX-File (14 kB)

Autor: sprut
erstellt: 15.12.2009
letzte Änderung: 25.03.2010