作者：李廣明,，楊雷 來源: 現(xiàn)代電子技術(shù)
1 引 言
多周期測(cè)量法是一種很靈活的頻率測(cè)量方法，通過調(diào)整被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)可以在測(cè)量精度和測(cè)量時(shí)間二者之間做出最佳選擇,，對(duì)于用普通的測(cè)頻法和測(cè)周法難以保證測(cè)量精度的非等周期信號(hào),，如氣壓傳感器的輸出信號(hào)，多周期測(cè)量法是最佳選擇,。另外,，通過提高基準(zhǔn)頻率和選用大容量計(jì)數(shù)器等措施還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,，這種測(cè)量方法可用于高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。
2 信號(hào)采集要求
在研制基于GPRS的自動(dòng)氣象站中,，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵(lì)諧振筒式壓力傳感器,。該傳感器輸出為周期C(或頻率f)與氣壓相關(guān)的TTL電平的矩形波信號(hào)(下稱原始信號(hào))和一個(gè)與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系的0～5 V的模擬電壓信號(hào)。輸出信號(hào)頻率與氣壓P一一對(duì)應(yīng),，單值連續(xù),，振動(dòng)筒諧振頻率的變化反應(yīng)了氣壓的變化。
國家氣象局對(duì)氣壓遙測(cè)的要求,，測(cè)量范圍為50～110 kPa,，采集的分辨率為0.01 kPa，準(zhǔn)確度為±0.03 kPa,，采集速率為6次／min(1 min共取6個(gè)樣本值,，取中間大小的4個(gè)值的等權(quán)算術(shù)平均值)。根據(jù)周期C(或頻率f)對(duì)氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測(cè)量的分辨率,，根據(jù)周期C(或頻率f)對(duì)溫度的最高交叉靈敏度決定對(duì)溫度電壓的分辨率,。通過數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達(dá)0.01 kPa,，這就要求周期測(cè)量分辨率為0.002 636 2μs,，頻率測(cè)量的分辨率為0.068 645 Hz，對(duì)溫度電壓的分辨率為43 mV,。
3 測(cè)量頻率和周期的基本方法
電子計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率和周期的基本原理是門控法,，如圖1所示。
(1)在測(cè)量頻率時(shí),，被測(cè)信號(hào)加在A端,，B端加門控信號(hào)，其信號(hào)寬度TB即是采樣時(shí)間,，被測(cè)信號(hào)頻率為：
N為閘門時(shí)間TB內(nèi)的脈沖數(shù),。測(cè)量的最大誤差為：
誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起,。若滿足0.068 645 Hz分辨率的要求,，門控信號(hào)寬度TB(采樣時(shí)間)要超過15 s。按照這種方法,，不能達(dá)到國家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次／min,。
(2)測(cè)量信號(hào)周期時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加在A端,，B端門控信號(hào)由被測(cè)信號(hào)觸發(fā),，其信號(hào)寬度TB為被測(cè)信號(hào)的周期，被測(cè)信號(hào)周期C為：
其中,，N為被測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)周期為τ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù),，測(cè)量的最大誤差為：
誤差中前項(xiàng)是量化誤差,，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起的。若滿足0.002 636 2 μs分辨率的要求,，時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要高于379.33 MHz,，實(shí)現(xiàn)難度大，用微控制器直接測(cè)量時(shí)是不能完成的,。
4 多周期測(cè)周法
對(duì)信號(hào)M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門控信號(hào)對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)(如圖2所示),。
誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起的,。從式中可知,，被測(cè)信號(hào)周期擴(kuò)展M倍后，對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要求不很高,，電路容易實(shí)現(xiàn),，并能將量化誤差降到單周期測(cè)量的1／M；為減小標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)帶來的誤差,，要求時(shí)標(biāo)信號(hào)具有較高的精度,。
觸發(fā)誤差的抑制傳感器輸出的信號(hào)為矩形波信號(hào)由原始振蕩信號(hào)經(jīng)整形得到，信號(hào)中疊加的噪聲在整形時(shí)會(huì)使矩形波信號(hào)的觸發(fā)沿提前或滯后,。多周期測(cè)周時(shí)使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消,。M個(gè)周期的累計(jì)觸發(fā)誤差只相當(dāng)于單個(gè)周期的觸發(fā)誤差。
5 信號(hào)測(cè)量單片機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)
圖3為多周期測(cè)周的原理圖,，其核心是P89LPC935,。
P89LPC935是PHILIPS公司LPC900系列單片封裝的微控制器，采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)(與51系列兼容),，速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件,，除51系列單片機(jī)資源外還具有8 kB FLASH程序存儲(chǔ)器，512片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲(chǔ)區(qū),，2個(gè)4路輸入的8位A／D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)DAC,，I2C，SPI總線,、片內(nèi)看門狗和復(fù)位電路,、捕獲／比較單元(CCU)等資源。
原始信號(hào)(傳感器輸出的與氣壓有關(guān)的矩形波信號(hào))接到分頻電路CD4020的時(shí)鐘輸入端,，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的／INT1端，作為門控信號(hào)控制P89LPC935內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器1,。定時(shí)計(jì)數(shù)器1工作在定時(shí)方式,，在門控信號(hào)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)。時(shí)鐘為PCLK,，為外接晶振11.059 2 MHz的2分頻(6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件),，即5.529 6 MHz,。
如圖4所示，原始信號(hào)周期C在200 μs左右,，256分頻后的門控信號(hào)周期在51 200μs左右(256C),，一個(gè)周期中高電平部分約為25 600 μs(高電平部分128 C)，在高電平時(shí)對(duì)5.529 6 MHz計(jì)數(shù),，其計(jì)數(shù)值約為141 500,，超過16位計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷,。開辟1個(gè)內(nèi)部RAM,，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行加l操作，即可滿足計(jì)數(shù)字長(zhǎng)要求,。計(jì)數(shù)過程如下：
S1：首先判斷／INT1是否為高電平,，該過程時(shí)間最長(zhǎng)256C；
S2：判斷／INT1是否為低電平,，若是,，計(jì)數(shù)器清零，允許計(jì)數(shù),，允許計(jì)數(shù)器溢出中斷,，該過程時(shí)間128C；
S3：／INT1為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),，計(jì)數(shù)器溢出時(shí)產(chǎn)生中斷,，中斷服務(wù)子程序中高位加1，該過程時(shí)間128C,；
S4：后續(xù)處理,，包括頻率計(jì)算、溫度采集及其他運(yùn)算,。該過程時(shí)間小于128C,。
整個(gè)計(jì)數(shù)及處理過程時(shí)間小于640 C，在128 ms以內(nèi),，遠(yuǎn)小于10 s,。原始信號(hào)的周期C及測(cè)量誤差如下計(jì)算。原始信號(hào)的周期為C,，計(jì)數(shù)值為N,，計(jì)算公式為：
其中，M=128,；τ=(1／5.529 6)μs,；128C=(N／5.5296)μs，C=N×0.001 4μs。
其測(cè)量誤差為：
誤差中前項(xiàng)是量化誤差,，為0.001 4μs,；后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi),，C最大值為211.787 9μs,，選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，該項(xiàng)誤差最大值為：211.787 9μs×5 ppm=0.001 1μs,；兩者的和小于0.002 636 2μs,，滿足要求。
上述的分析計(jì)算是兩者絕對(duì)值相加,，有一定的冗余,。如果進(jìn)一步提高M(jìn)值，將進(jìn)一步減小量化誤差,。
用該方法測(cè)量周期的前提條件是選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振,，測(cè)量周期的誤差最小可控制在0.001 1μs。
將溫度信號(hào)直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10(P0.1)引腳,，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,。A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為μs量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的采樣周期10 s,，在溫度采集時(shí),，有足夠的時(shí)間對(duì)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其具體方法為：每次采集進(jìn)行18次A／D轉(zhuǎn)換,，去掉一個(gè)最大值和最小值,，取其余16個(gè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。
溫度信號(hào)采集的準(zhǔn)確度為20 mV,，優(yōu)于43 mV的要求,。
6 結(jié) 語
該測(cè)量方法成功地應(yīng)用于與河南省氣象局合作開發(fā)的自動(dòng)氣象站中。用多周期測(cè)周的方法快速準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的頻率(周期)基于2個(gè)條件：信號(hào)是連續(xù)的,；P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度,、高穩(wěn)定晶體振蕩器(準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm)。