基于多周期测量频率的方法以及应用

　　1 引 言

    多周期测量法是一种非常灵活的频率测量方法，通过调整被测信号的周期个数可以在测量和测量时间二者之间做出的选择，对于用普通的测频法（在频率、速度等脉冲类测量过程中，在指定的时间内，计量脉冲个数，让脉冲个数与指定的时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法）和测周法（在频率、速度等脉冲类测量过程中，采集指定的脉冲个数，与过程时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定数采样或定脉冲采样。这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法）难以保证测量的非等周期信号，如气压 传感器的输出信号，而多周期测量法则是选择。另外，通过提高基准频率和选用大容量计数器等措施 还可以进一步提高系统的测量，这种测量方法可用于高频率测量系统的设计中。

　　2 信号采集要求

　　在研制基于GPRS的自动气象站中，气压采集系统采用电激励谐振筒式压力传感器。该传感器输出为周期C（或频率f）与气压相关的TTL电平（TTL电平信号被利用的多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术）的矩形波信号（下称原始信号）和一个与环境温度呈线 性关系的0～5V的模拟电压信号。输出信号频率与气压P一一对应，单值连续，振动筒谐振频率的变化反应了气压的变化。

　　国家气象局对气压遥测的要求，测量范围为50～110kPa，采集的分辨率为0.01kPa，准确度为±0.03kPa，采集速率为6次／min（1min共取6个样本值，取中间大小的4个值的等权算术平均值）。根据周期C（或频率f）对气压的灵敏度来确定周期及频率测量的分辨率，根据周期C（或频率f）对温度的交叉灵敏度决定对温度电压的分辨率。通过数据分析，欲使气压系统分辨率达0.01kPa，这就要求周期测量分辨率为0.002 6362μs，频率测量的分辨率为0.068 645Hz，对温度电压的分辨率为43mV。

　　3 测量频率和周期的基本方法

　　电子计数器测量信号频率和周期的基本原理是门控法，如图1所示。

　　（1）在测量频率时，被测信号加在A端，B端加门控信号，其信号宽度TB即是采样时间，被测信号频率为 ：

　　N为闸门时间TB内的脉冲数。测量的误差为：

　　误差中前项是量化误差，后部分则是因为标准信号误差引起。若满足0.068 645Hz分辨率的要求，门控信号宽度TB（采样时间）要超过15s。按照这种方法，不能达到国家气象局规定的气压采集速率6次／min。

　　（2）测量信号周期时，标准信号加在A端，B端门控信号由被测信号触发，其信号宽度TB为被测信号的周期，被测信号周期C为：

　　其中，N为被测时间内对周期为τ的标准信号计数个数，测量的误差为：

　　误差中前项是量化误差，后部分是因为标准信号误差引起的。若满足0.002 636 2μs分辨率的要求， 时标信号的频率要高于379.33MHz，实现难度很大，用微控制器直接测量时是不能完成的。微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器／扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。

　　4 多周期测周法

　　对信号M分频后触发产生门控信号对时标信号计数（如图2所示）。

　　误差中前项是量化误差，后部分是因为标准信号误差引起的。从式子中我们可以看出，被测信号周期扩展M倍后，对时标信号的频率要求并不是很高，电路很容易就可以实现，并能将量化误差降到单周期测量的1／M；为了减小标准信号带来的误差，要求时标信号具有较高的。

　　触发误差的抑制传感器输出的信号为矩形波信号由原始振荡信号经整形得到，信号中叠加的噪声在整形时会使矩形波信号的触发沿提前或滞后。多周期测周时使相邻周期的触发误差相互抵消。M个周期的累计触发误差只相当于单个周期的触发误差。

　　5 信号测量单片机控制电路的实现

　　图3为多周期测周的原理图，其是P89LPC935。

　　P89LPC935是一款低成本单片封装微控制器。P89LPC935基于高性能的处理架构，执行指令仅需2到4个时钟周期，速度是标准80C51器件的6倍。P89LPC935集成了多种系统级功能，以便极大减少元件数目和减小电路板面积，从而降低系统成本。

　　P89LPC935参数如下所示：

　　原始信号接到分频电路CD4020的时钟输入端，经256分频后接到P89LPC935的／INT1端，作为门控信号控制P89LPC935内部的定时计数器1。定时计数器1工作在定时方式，在门控信号为高电平时计数。时钟为PCLK，为外接晶振11.059 2MHz的2分频（6倍于标准80C51器件），即5.529 6MHz。

　　如图4所示，原始信号周期C在200μs左右，256分频后的门控信号周期在51 200μs左右（256C），一个周期中高电平部分约为25600μs（高电平部分128C），在高电平时对5.5296MHz计数，其计数值约为141500 ，超过16位计数器的长度，将产生溢出并产生中断。开辟1个内部RAM，在中断服务子程序中进行加l操作，即可满足计数字长要求。计数过程如下：

　　S1：首先判断／INT1是否为高电平，该过程时间长为256C；

　　S2：判断／INT1是否为低电平，若是，则将计数器清零，允许计数，允许计数器溢出中断，该过程时间为 128C；

　　S3：／INT1为高电平时计数器计数，计数器溢出时产生中断，中断服务子程序中高位加1，该过程时间为 128C；

　　S4：后续处理，包括频率计算、温度采集及其他运算。该过程时间则要小于128C。

　　整个计数以及处理过程的总时间要小于640C，在128ms以内，远小于10s。原始信号的周期C及测量误差如下计算。原始信号的周期为C，计数值为N，计算公式为：

　　其中，M=128；τ=（1／5.529 6）μs；128C=（N／5.5296）μs，C=N×0.001 4μs。

　　其测量误差为：

　　误差中前项是量化误差，为0.001 4μs；后部分是因为标准信号误差（即晶振的误差）引起的。在整个测量范围内，C值为211.787 9μs，选取准确度优于5ppm的晶振，该项误差值为：211.787 9μs× 5ppm=0.001 1μs；两者的和加起来小于0.002 636 2μs，则满足要求。

　　上述的分析计算是两者相加，有一定的冗余。如果进一步提高M值，将进一步的减小量化误差。

　　用该方法测量周期的前提条件是选取准确度优于5ppm的晶振，测量周期的误差可控制在0.001 1μs。

　　将温度信号直接连接到P89LPC935的模拟输入端AD10（P0.1）引脚，进行A／D转换。A／D转换时间为μs 量级，远远小于要求的采样周期10s，在温度采集时，有足够的时间对A／D转换数据进行数据处理，其具体方法为：每次采集进行18次A／D转换，去掉一个值和值，取其余16个数据算术平均值作为终结 果。

　　温度信号采集的准确度为20mV，优于43mV的要求。

　　6 结 语

　　这个测量方法成功地应用在与河南省气象局合作开发的自动气象站中。用多周期测量的方法快速准确测量信号的频率（周期）基于2个条件：信号是连续的；P89LPC935的晶振必须使用外接的高、高稳定晶体振荡器（准确度优于5 ppm）。

  

参考文献:

[1]. GPRS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. P89LPC935 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/P89LPC935_538805.html.
[4]. 80C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html.
[5]. 640C datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/640C_1806165.html.