系統總線頻率

北橋芯片負責聯繫內存、顯卡等數據吞吐量最大的部件，並和南橋芯片連接。CPU就是通過前端總線（FSB）連接到北橋芯片，進而通過北橋芯片和內存、顯卡交換數據。前端總線是CPU和外界交換數據的最主要通道，因此前端總線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總線，再強的CPU也不能明顯提高計算機整體速度。數據傳輸最大帶寬取決於所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據帶寬=（總線頻率×數據位寬）÷8。PC機上所能達到的前端總線頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種，最高到2000MHz。前端總線頻率越大，代表着CPU與北橋芯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，而足夠大的前端總線可以保障有足夠的數據供給給CPU，較低的前端總線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。

頻率測量作為電子學測量中最為重要的測量之一，應用非常廣泛。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。 ^[1] 

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響應特性來測量頻率，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，仍獲得廣泛應用。

（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，記下單位時間內週期信號的重複次數，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。 ^[1] 

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週期法都需要參考信號，測頻法需要一個標準的脈寬，測週期法需要一個標準時鍾。實際上測頻法的標準脈寬必須從一個標準時鍾分頻得到。一般來説標準時鍾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。 ^[1] 

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。

CAN是一種多主方式的串行通訊總線，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總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數個節點。實際應用中，節點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。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總線的以上優點，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應用。 ^[1] 

1、報文的優先權 ：

在總線訪問期間，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) ：

通過發送遠程幀，需要數據的節點可以請求另一節點發送相應的數據幀。數據幀和相應的遠程幀是由相同的識別符命名的。 ^[1] 

3、多主機(Multimaster) ：

總線空閒時，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總線訪問權。

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總線訪問衝突，不丟失數據和帶寬。若有兩個或更多的CAN節點同時開始向總線發送數據，總線訪問衝突通過仲裁場發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。 ^[1] 

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總線傳給主站（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芯片採集FPAG測得的頻率值，並將其以CAN通信協議的標準傳到CAN總線上。 ^[1] 

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。 ^[1] 

隨着計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發展，工業測控系統已成為計算機技術應用領域中的一個重要組成部分。為滿足對應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總線設計，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總線的振動頻率計算機測試系統。 ^[2] 

頻率測量數據採集卡硬件主要由FPGA、UART、D/A模塊、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。 ^[2] 

系統工作過程時CAN總線接口卡上電覆位和初始化後，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總線接口卡，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，然後由軟件參與完成數據通信。 另一種是根據指令將數據寫入DPRAM中，並置位標誌位，隨後網絡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。 ^[2] 

測試系統軟件部分包括FPGA和計算機測試軟件兩部分。FPGA軟件開發使用quartus II作為開發平台，採用 Verilog HDL語言開發。計算機測試軟件選用Visual Basic開發，它可以實現9個通道的振動頻率測量顯示功能。

可以説，FPGA芯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，在程序設計中採用ALTERA公司的EPF10K10型號FPGA芯片。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。

用户啓動計算機後，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。計算機發送“頻率分析”指令，計算機定時發送指令到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響應圖顯示出來。 ^[2] 

測試軟件實現機械設備頻率多通道自動測試。 用户登錄計算機啓動程序後，系統首先自檢，並進行初始化操作， 用户在自檢初始化完成後， 判斷電纜是否連接，假如電纜沒有連接或者連接錯誤則系統提示“電纜連接失敗，請重新連接測試電纜”，如果已經連接則進入測量頻率軟件界面。

該機械設備振動頻率測試系統軟件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總線設計及標準信號頻率高的FPGA芯片，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件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。 ^[2]