[科普中国]-系统总线频率

总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多，前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。

CPU通过前端总线发挥的功能北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽=（总线频率×数据位宽）÷8。PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种，最高到2000MHz。前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。

总线的八通道数字频率测量系统的研制频率测量作为电子学测量中最为重要的测量之一，应用非常广泛。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。

许多高精度的频率测量系统都采用单片机加上外部的高速计数器来实现。然而在这种设计中，由于PCB板的集成度不高，导致PCB面积大，信号走线长，因此难以提高计数器的工作频率。此外，PCB板的集成度不高还会使得高频信号容易受到外界的干扰，从而大大降低了测量的精度。1

常用测频方法根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下几类：

第一类方法适合于模拟电路中实现，主要包括以下两种：

（1）利用电路的某种频率响应特性来测量频率，谐振测频法和电桥测频法是这类测量方法的典型代表。前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波波段的测量。谐振法的优点是体积小、重量轻、不要求电源等，仍获得广泛应用。

（2）利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率，其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方法的范畴，它的显著优点是测试灵敏度高。

还有一类最广泛使用的适合于数字电路实现的计数测频法，该方法是根据频率定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，又称为电子计数器测频法。设计中采用的改进的直接计数测频法就属于此类方法。1

直接计数测频法的改进方法频率测量部分满足如下设计指标：

(1) 频率测量范围从1HZ到1MHZ。

(2) 全量程内相对误差小于10-5。

(3) 自动选择量程，不需要手动输入信号频率的范围。

下面从系统的设计要求出发来分析系统应该采用的方案。

首先，无论是测频法还是测周期法都需要参考信号，测频法需要一个标准的脉宽，测周期法需要一个标准时钟。实际上测频法的标准脉宽必须从一个标准时钟分频得到。一般来说标准时钟都是从外部晶振分频或倍频得到的。为了满足相对误差小于10-5的要求，晶振的稳定度要小于10-6，从而可以忽略标准时钟的误差，系统相对误差由计数误差决定。1

CAN 总线概述CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。

由于CAN总线的以上优点，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。1

CAN 总线的基本属性1、报文的优先权 ：

在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优先权。标识符的大小决定了一包CAN 信息的优先权高低。

2、远程数据请求(Remote Data Request) ：

通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。1

3、多主机(Multimaster) ：

总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。

4、仲裁(Arbitration) ：

CAN采用非破坏性的“载波侦听多路访问/冲突检测”（CSMA/CD，CarrierSense Multiple Access with Collision Detect）竞争方式解决潜在的总线访问冲突，不丢失数据和带宽。若有两个或更多的CAN节点同时开始向总线发送数据，总线访问冲突通过仲裁场发送期间位仲裁的处理方法予以解决。

5、故障界定（Fault Confinement）：

CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来。故障的节点会被关闭。1

系统结构和模块划分频率测量系统作为船用海事整体系统的一个重要组成部分（一个从站），实现八通道信号频率的实时高精度测量，并根据需要将所测得的某路信号的频率数值通过CAN总线传给主站（PC）和其他海事设备（其他从站），并接收来自主站一些控制信号。为了实现这个目的，采用带有CAN控制器的ARM7芯片采集FPAG测得的频率值，并将其以CAN通信协议的标准传到CAN总线上。1

波形整形模块因为输入的八通道待测信号都是模拟的正弦波，所以在进入FPGA测频之前先要通过波形整形电路使之变成同频率的与FPGA电平相匹配的数字脉冲矩形波。1

基于CAN总线的频率测试系统设计与实现随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业测控系统已成为计算机技术应用领域中的一个重要组成部分。为满足对应用系统可靠性和灵活性的高要求，并保证数据通信的可靠性以及通信的实时性，将采用CAN总线设计，并通过对被测机械设备的振动频率数据进行采集、显示、统计、分析，以某机械设备振动频率测试为例，设计实现了基于CAN总线的振动频率计算机测试系统。2

频率采集频率测量数据采集卡硬件主要由FPGA、UART、D/A模块、信号处理电路和信号调理电路组成，它主要实现频率测试和频率分析两个功能。2

CAN 总线设计系统工作过程时CAN总线接口卡上电复位和初始化后，等待工控机的命令和数据，当工控机发出指令和数据时，通知CAN总线接口卡，CAN卡将接收到得指令分两种方式处理， 一种是将指令作为数据写入DPRAM中，并置位标志位，与CAN节点建立联系，然后由软件参与完成数据通信。 另一种是根据指令将数据写入DPRAM中，并置位标志位，随后网络上的帧传送自动完成。当CAN卡完成一次通信后，通知工控机，可以是查询方式，或者是中断方式。工控机取出数据存储后进行后续处理。2

软件设计测试系统软件部分包括FPGA和计算机测试软件两部分。FPGA软件开发使用quartus II作为开发平台，采用 Verilog HDL语言开发。计算机测试软件选用Visual Basic开发，它可以实现9个通道的振动频率测量显示功能。

FPGA 设计可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA的品种很多，在程序设计中采用ALTERA公司的EPF10K10型号FPGA芯片。频率测试方法是采用了等精度测频法，利用FPGA实现等精度测频，FPGA将通过数据采集卡来完成频率测试和频率分析。

用户启动计算机后，FPGA初始化，之后等待计算机的控制信号。计算机发出“频率测试”指令后，FPGA测量频率信号，将测量的数据传给计算机，计算机进行处理并显示。计算机发送“频率分析”指令，计算机定时发送指令到FPGA来改变扫频信号的频率，扫频信号经过V-F转换后输出相应的TTL频率信号，然后FP-GA测量输出的频率信号，并将数据传给计算机，计算机根据采集的数据反算出正弦波信号，并将正弦波及其频率响应图显示出来。2

测试软件测试软件实现机械设备频率多通道自动测试。 用户登录计算机启动程序后，系统首先自检，并进行初始化操作， 用户在自检初始化完成后， 判断电缆是否连接，假如电缆没有连接或者连接错误则系统提示“电缆连接失败，请重新连接测试电缆”，如果已经连接则进入测量频率软件界面。

该机械设备振动频率测试系统软件实现了振动频率测试，测试系统工作稳定可靠。由于采用了CAN总线设计及标准信号频率高的FPGA芯片，所以即能满足频率测试的高精度要求又大大提高了频率测试的速度。结果表明该频率测试软件测试测试速度快且具有良好的通用性和可移植性，对频率测量有同类要求的测试系统有较高的参考价值。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学