在單片機(jī)測量和控制系統(tǒng)中,，對外界數(shù)據(jù)及信號的讀取基本上都是通過A/D方式實(shí)現(xiàn)的,。它主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)根據(jù)需要，可很容易地買到轉(zhuǎn)換精度適用的A/D轉(zhuǎn)換器,。
　　(2)A/D轉(zhuǎn)換器與CPU的連接可按手冊或資料提供的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,。
　　(3)CPU對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換提供的數(shù)據(jù)可直接識(shí)別。
　　(4)A/D轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換速度快,，一般為幾微秒～幾十微秒,。
　　正是由于以上這些因素，使人們在選擇單片機(jī)測控系統(tǒng)對信號的采集方式時(shí),，首先想到的就是使用A/D轉(zhuǎn)換器,，這已經(jīng)成為人們在單片機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)習(xí)慣。就大多數(shù)情況而言,，這一選擇無疑是正確和明智的,，因?yàn)檫@是一個(gè)十分可靠、成熟和簡捷的方案,。
　　然而,，在我們?yōu)殡妱?dòng)汽車設(shè)計(jì)單片機(jī)測控系統(tǒng)時(shí)所面臨卻是另外一種情況，單片機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣,，特別是電動(dòng)汽車在行駛過程中,，外界的機(jī)械振動(dòng)，車內(nèi)的電器設(shè)備(如斬波器,、電動(dòng)機(jī),，其峰值電流可達(dá)600A)所產(chǎn)生的干擾，室外環(huán)境的溫差(－20～+65°C),，都會(huì)影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作,。這就要求我們在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)必須考慮到各種影響其正常工作的因素，并采取相應(yīng)的有效措施,，這樣才可使設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境并正常工作,。
1 電動(dòng)汽車的工作環(huán)境和信號特點(diǎn)
　　電動(dòng)汽車為單片機(jī)系統(tǒng)提供的工作條件是非常苛刻的,。由于電動(dòng)汽車自身的空間限制,，使部分電器(如：電池、斬波器等)的位置比較分散,，從而使得單片機(jī)測控系統(tǒng)對部分信號的采集要通過長線傳輸,。由于電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是通過斬波器或逆變器驅(qū)動(dòng)的，斬波器和逆變器的工作方式使電動(dòng)汽車動(dòng)力電路中產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電流,。
　　實(shí)際應(yīng)用中,，干擾進(jìn)入系統(tǒng)的渠道主要有三條：
　　(1)空間干擾(場干擾)：干擾以電磁波輻射方式進(jìn)入系統(tǒng),；
　　(2)供電系統(tǒng)干擾：干擾通過電源通道進(jìn)入系統(tǒng)；
　　(3)過程通道干擾：干擾通過與主機(jī)相聯(lián)的前向通道,、后向通道及與其它主機(jī)的相互通道進(jìn)入系統(tǒng),。
　　一般情況下，干擾都是以脈沖的形式進(jìn)入系統(tǒng)的,，而斬波器和逆變器的工作正好在空間,、被測信號中及電源部分造成了非常強(qiáng)大的脈沖干擾。這些干擾通過長距離的信號線,、系統(tǒng)的前后通道,、電源而進(jìn)入單片機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作,。這些干擾是以高頻脈沖的方式存在于系統(tǒng)中,，雖然有較高的電壓幅值，但不能提供較大的電流,。因此我們利用干擾信號的這一特點(diǎn)對它進(jìn)行抑制和去除,。這里主要介紹如何消除這些干擾對被測信號的影響。
　　前面已經(jīng)介紹過,，一般情況下單片機(jī)系統(tǒng)的信號采集是通過A/D方式實(shí)現(xiàn)的,，這對于具有較高輸出阻抗的電壓信號來說是非常合適的。而對于電動(dòng)車上的被測信號則完全是另外一種情況,。如電動(dòng)車動(dòng)力電池的電壓就是一個(gè)輸出阻抗很低(約0.005 Ω～0.02Ω),、變化非常緩慢的信號。這主要由鉛酸蓄電池的放電特性決定,，如圖1所示。

　　然而這樣一個(gè)平穩(wěn)的電壓信號通過長線傳輸,、再經(jīng)A/D變換后卻變成一個(gè)變化無常,、噪聲很強(qiáng)的信號，如圖2所示,。

　　電池電壓,、電流的檢測對于電動(dòng)汽車是至關(guān)重要的，通過這些數(shù)據(jù)可以了解到電動(dòng)汽車電池目前所處的狀態(tài),。面對這樣一個(gè)信號,，我們首先采用了傳統(tǒng)的硬件濾波電路和軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法對信號進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的信號波形如圖3所示,。

　　從信號的波形上看,，經(jīng)處理后的信號與原始信號相比已有了很大的改進(jìn)，但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn),，即使是處理過的信號也離我們的要求相差很遠(yuǎn),，因?yàn)樗荒芴峁┳銐虻木?。在電?dòng)汽車行駛過程中，電池電壓信號±1%的誤差會(huì)造成對電池電量±10%的錯(cuò)誤判斷,。這就迫使我們尋找一個(gè)既有很強(qiáng)的抗干擾能力,，又便于長距離傳輸，同時(shí)還能提供足夠精度的信號傳輸和采集方式,。通過對電動(dòng)車動(dòng)力電池電壓信號的分析,，找出如下特點(diǎn)：
　　(1)該信號具有很大的慣性，變化緩慢,。即使發(fā)生突變,，其過渡過程也要幾秒鐘。
　　(2)該信號源具有較低的內(nèi)阻,，在輸出適當(dāng)電流的情況下不會(huì)對信號產(chǎn)生影響,。
　　由以上兩個(gè)特點(diǎn)，可得出如下結(jié)論：電池的電壓信號不需要很快的檢測速度,，而且信號源可提供一定的輸出電流,。根據(jù)這一結(jié)論，我們選擇了V/F變換器來替代原有的A/D轉(zhuǎn)換器,。這樣做有如下四個(gè)優(yōu)點(diǎn),。
　　(1)占用計(jì)算機(jī)資源少。對于一種模擬信號僅占用一個(gè)輸入通道,。
　　(2)抗干擾性能好,。V/F轉(zhuǎn)換過程是對輸入信號的不斷積分，它需要被測信號提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流,，因干擾信號不能提供電流而被濾掉,。另外，V/F變換與計(jì)算機(jī)接口很容易采用光耦隔離,。
　　(3)便于遠(yuǎn)距離傳輸,。
　　(4)信號頻率可靈活選擇。
2 V/F變換電路的硬件設(shè)計(jì)
2.1 V/F變換器的結(jié)構(gòu)及工作原理
　　V/F轉(zhuǎn)換輸入通道基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

　　V/F轉(zhuǎn)換器有許多種,，如AD公司的ADVFC32，AD650,；美國國家半導(dǎo)體公司的LMx31系列,；BB公司的VFC32，VFC62等,。每一種都有它們自已特點(diǎn),。從性能價(jià)格比和實(shí)際需要上考慮，我們選用了LMx31系列的LM231型V/F轉(zhuǎn)換器,。
2.2 V/F變換器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
　　LMx31的簡化功能框圖,，如圖5所示,。

　　由圖5可以看出，只要在芯片外圍接上適當(dāng)電阻,、電容就可構(gòu)基本應(yīng)用電路,。輸入比較器將輸入電平V_in和V_x相比較，當(dāng)V_in＞V_x時(shí),，啟動(dòng)單穩(wěn)脈沖定時(shí)器,，并導(dǎo)通頻率輸出晶體管和開關(guān)電流源，定時(shí)器的定時(shí)周期T＝1.1R_t·C_t,，在這個(gè)周期中,，電流i向電容C_t充電，使V_x上升,，當(dāng)V_x＞V_in時(shí),，電流i關(guān)斷，定時(shí)器自行復(fù)位,，同時(shí)C_L通過R_L放電,，直到V_x＜V_in為止。然后比較器再次啟動(dòng)定時(shí)器,，開始下一個(gè)循環(huán),。由于注入C_L的平均電流嚴(yán)格等于I_AVE＝i·t·f_out，流出C_L的平均電流嚴(yán)格等于V_x/R_L≈V_in/R_L,。這種V/F轉(zhuǎn)換器能在較寬的頻率范圍內(nèi)保證其輸出頻率嚴(yán)格正比于輸入電壓,。
　　由式I_AVE＝i·t·f_out＝V_x/R_L≈V_in/R_L
　　
　　實(shí)際系統(tǒng)中的V/F變換器電路如圖6所示。為了消除干擾,，在輸入端7端上加進(jìn)一個(gè)RC低通濾波器,，電容C₁＝1μF，電阻R₁＝100kΩ,。濾波器截止頻率f₀為：

　　設(shè)計(jì)中使1V電壓對應(yīng)的輸出頻率為1000Hz,，V/F轉(zhuǎn)換增益K計(jì)算如下：
　　
　　由上式得：R_s＝2.09R_t·C_t·R_L·1000＝2.09·100·10³·0.01·10^－6·6.8·10⁶＝14.212(kΩ)
　　為了保正V/F電路的溫度穩(wěn)定性，電路中的電阻,、電容應(yīng)選用溫度穩(wěn)定性高的器件。
3 V/F變換方式對信號精度的影響
　　V/F變換雖然解決了信號在長線傳輸過程中的抗干擾問題,，但卻改變了CPU對被測信號的讀取方式,，由原來的對A/D輸出信號的直接讀取變?yōu)閷/F變換器輸出脈沖頻率信號的讀取。對頻率信號的測量大致有兩種方法：一種是平均周期檢測法,；另一種是齒周期檢測法,。下面就分析一下不同檢測方法對信號精度的影響。

3.1 平均周期檢測法
平均周期檢測法的原理如圖7所示,。定時(shí)器計(jì)數(shù)值N_C預(yù)先設(shè)定,，時(shí)鐘頻率CLK已知為f₀,，周期為T₀，則T₀×N_C為定時(shí)時(shí)間,。定時(shí)器控制計(jì)數(shù)器,，定時(shí)器為0時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),；定時(shí)時(shí)間到,，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間為T₀×N_C,。如果計(jì)算值為N_t,，則輸入信號的待測頻率為：
　　f＝N_t/(T₀·N_C)
　　絕對誤差Δf＝ΔN_t/(T₀·N_C)
　　∵ΔN＝±1
　　∴Δf＝1/(T₀·N_C)
　　相對誤差 Δf/f＝1/N_t
　　由相對誤差表達(dá)式可以看出，計(jì)數(shù)值N_t越大,，測量精度越高,，所以平均周期法適于高頻信號的測量。

3.2 齒周期檢測法
　　齒周期檢測法原理如圖8所示,。外部待測頻率為輸入定時(shí)器,，定時(shí)器的計(jì)數(shù)值N_t給定；時(shí)鐘脈沖CLK輸入計(jì)數(shù)器,，時(shí)鐘脈沖頻率為f₀,，周期為T₀。用定時(shí)器控制計(jì)數(shù)器的啟停,。由于待測脈沖頻率f未知,，定時(shí)時(shí)間T×N_t是隨待測脈沖頻率變化的變量，式中T為待測脈沖的周期,。如果在定時(shí)時(shí)間T×N_t內(nèi),，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N_C，
　　則：T·N_t＝T₀·N_C
　　　　f＝N_t/(T₀·N_C)
　　相對誤差Δf/f＝1/N_t
　　由相對誤差表達(dá)式可以看出,，計(jì)數(shù)值N_C越大,，測量精度越高。而N_C越大對應(yīng)的待測脈沖的頻率越低,，故齒周期法適于低頻信號的檢測,。
3.3 檢測方法的確定及誤差分析
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了LM231型V/F變換器，其輸出頻率在0～100kHz之間,。根據(jù)實(shí)際需要及精度要求,，將輸出頻率限制在0～10kHz之間，通常頻率變化范圍為：4～9kHz,。
　　如果用第一種方法——平均周期法測量頻率,，相對誤差Δf/f＝1/N_t，如果要求相對誤差≤0.1%,，則N_t≥1000,，定為轉(zhuǎn)換精度精確到10位(2¹⁰＝1024),，即N_t≥1024。由于這種方法適于高頻信號測量,，對于低頻信號的測量誤差較大,，因此只需考查測量低頻信號時(shí)的情況。
　　當(dāng)f＝4kHz時(shí),，為了保證N_t≥1024,，需采樣定時(shí)時(shí)間為N_t/f＝1024/4000＝256ms。
　　如果用第二種方法——齒周期法測量頻率,，相對誤差Δf/f＝1/N_C,，同樣要求相對誤差≤0.1%，則N_C≥1000,，仍定為N_C≥1024,。由于這種方法適于測量低頻信號，對于高頻信號的測量誤差較大,，故只需考查其測量高頻信號的情況,。
　　當(dāng)f＝10kHz時(shí)，在晶振頻率為12MHz時(shí)CPU的內(nèi)部時(shí)鐘周期T₀＝2μs,，則定時(shí)時(shí)間T₀×N_C＝2×10^－6×1024＝2.05ms,。此時(shí)應(yīng)給定定時(shí)器計(jì)數(shù)值N_t＝f×(T₀×N_C)＝20。當(dāng)待測頻率為4kHz時(shí),，N_t＝20,，定時(shí)時(shí)間N_t×T＝20/4000＝5ms。
　　由以上分析可以看出,，在保正測量精度相同的情況下,，齒周期法的測量速度比平均周期法的測量速度要快得多(相差256ms/5ms≈51倍)，因此我們采用了齒周期法測量頻率,。
　　然而,，用哪種方法都有一個(gè)計(jì)數(shù)誤差ΔN＝±1的問題，這在單純由硬件組成的檢測電路中是無法消除的,。其原因如圖9所示,。
　　第一：定時(shí)器啟動(dòng)后，沒有遇上待測脈沖的前沿,，而要等T₁時(shí)間后才開始計(jì)數(shù),；
　　第二：定時(shí)器時(shí)間到，不在待測脈沖的末尾,，而提前了T₂時(shí)間。
　　由于T₁和T₂的存在導(dǎo)致測量誤差ΔN＝±1的存在,，一般檢測設(shè)備為了減少T₁,、T₂對測量結(jié)果的影響,，只能提高被測脈沖的頻率，或采用高頻補(bǔ)償法——即在T₁和T₂期間,，對另一高頻信號計(jì)數(shù),，這無疑會(huì)增加硬件電路的復(fù)雜程度。
　　單片機(jī)系統(tǒng)的軟件可控性,，使這個(gè)問題的解決變得簡單得多,。計(jì)數(shù)時(shí)使用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí),，另一個(gè)計(jì)數(shù),。計(jì)數(shù)器由外部信號控制啟動(dòng)，且與待測脈沖信號同步,，這樣就消除了圖9中T₁的影響,。當(dāng)計(jì)數(shù)到某一確定值時(shí)，由CPU控制讀取計(jì)數(shù)值和定時(shí)時(shí)間值,，這樣就消除了T₂的影響,。用計(jì)數(shù)值除以定時(shí)值即可得到被測頻率值。這種測量方式的誤差≤0.1%,。