基于单片机高精度测频方法的研究.doc

第 !卷第 #期!#$%$湖 !北 !工 !业 !大 !学 !学 !报!&()*#+,-./0)/.(234+5.67)#84!$年 %月98$!文章编号 -&#,%#$%.-$.-基于单片机高精度测频方法的研究王淑青!吴作健! 湖北工业大学电气与电子工程学院 !湖北 武汉 #-,%# 湖北省通山县职教中心 !湖北 通山 #-/,$!摘 !要 分析了利用单片机进行测频时测量原理 %引起误差的原因 #给 出 了 提 高 频 率 测 量 精 度 方 法 #以 及 相应测量系统硬件 %软件设计思想 *在设 计 中 测 频 计 数 闸 门 完 全 由 硬 件 控 制 #测 频 精 度 高 #硬 件 %软 件 实 现 较 方便 %灵活 %可靠 *!关键词 频率测量 &单片机 &精度!中图分类号 0B+-$!频率测量属于基本测量 #人们将许多参数的测量转换成频率量来进行测量和处理 #广泛应用于科学技术和工程的各个领域 *单片机内部含有稳定度!文献标识码 %(!* !测周法测周法如 图 ! 所 示 #在 被 测 信 号 一 个 周 期内 #计标准脉冲 F#计数值 P 与 ( 关系为 $( )便地对外部信号或标准频率信号进行计数 #因此单( +FP+5F X P片机测频越来越受到重视 *利用单片机测频时 #如选择不好测量方法可能引起很大误差 &测频时如果不是真正靠硬件逻辑控制计数或定时 #而靠软件查询或中断响应后再停止计数 #虽然理论上能达到很高!* !测频法测频法如图 ! 所示 #将被测信号输入到计数器的输入端 #在一定时间 5 内计 数 器 进 行 计 数 #计数值 P! 与被测信号的频率 ( 的关系是 $的精度 #但实际测量中由于单片机响应有一定的时间 #难以做到精确的测量 (!)*本文分析了频率测量产( +P!5生误差原因 #针对被测量频率范围提出相应的测量方法及硬件 %软件实现方法 *!测频原理及误差分析常用测量频率的方法有两种 $测周法和测频法 *由于以上两种方法在中频段时误差很大 #较精确测!* !多周期同步法多周期同步法测频技术则利用两个计数器 !见图 !#在一定时间 5 内一个计数器计被测信号 #一个计数器计基准信号 这里计数闸门时间 5 不是固定的值 #而是被测信号的整周期倍 #即用频率相对低的被测量信号控制定时的开启和结束 *频率计算公式 $量采用多 周 期 同 步 测 量 法 (-.#)*测 量 原 理 如 图 所示 *P( P( + F +PF PF X5F!* !测量方法引起误差比较 &分析对于测周法和测频法 #频率测量的主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的 l误差 #误差计算公式如下 $对于测周法有- +(+*PP+ZP(+ZF+Z5F(&对于测频法有!收稿日期 !$
/! !较高的标准频率源 %定时计数器 等 硬 件 #能 很 方:#3%!作者简介 王据淑青 !+,+& #女 #河北阜新人 #湖北工业大学讲师 #研究方向 $智能检测与控制 *万方数-,湖 !北 !工 !业 !大 !学 !学 !报!$年第 #期 !-! +(+*P!P!+ZP!+Z5(序 0 中 断 子 程 序 *主 程 序 中 进 行 初 始 化 计 算 周期 E0中断子程序重新置初值 !并置标记主程序!由以上公式可看出 !测周法在被测信号频率较高时 !误差较大 !因此测周法只适用于低频测量 而计算周期 0中断子程序使 H加 $程序略 %*计算周期公式为测频法在被测信号频率较低时 !如想提高测频精度则必使测量时间 0 延长 !在实际测量中希望测量速5 + :,$-, $,$,/度尽量高 !因而只适用于高频测量 *以上两种方法在中频段误差都比较大 !对于多周期同步法 !其误差有 #( P - + +. F( ( PF 5F!由上式可看出 !多周期同步法误差只与基频信号频率和计数时间有关 !与被测信号无关 !测量精度大大提高 !而且达到了在整个测频段的等精度测量 *以上 -种方法在测量中应根据具体情况选择 *被测频率较低时选用测周法 频率较高时选用测频法 频率在中频段时选用多周期同步法 *!测量方法实现在测频中 !根据测量频率范围选择适当测量方法 *这里介绍的几种方法巧妙地靠硬件定时 !可达到与硬件逻辑测频同样的精度 * !周期测量法对于低频信号的测量 !采用测周法 *当被测信号有可能频率在$ !%Da时 !利用 $!系列单片机 !此系列单 片 机 增 加 了 一 个 定 时 器&计 数 器 ! V*还有另外一种功能 V*&0!KG 作为定时&计数器!的捕 捉&重 新 装 入 触 发 脉 冲 输 入 端 *信 号 由 V*引脚输入 !定时&计数器 !计内部时钟以计算信号周期时间 !计数初值为 *此时利用 0!的捕捉功能 !当引脚 V* 上出现负跳变时 0D! 0! 的当前值自动送入 HS(V!DHS(V! 寄 存 器 !同 时 外 部 中 断标志 KGY!被置 !向 SV1 申 请 中 断 !中 断 响 应 程序清 KGY!读 0!KG 引脚下跳时刻的 0! 计数值 !两次下跳时刻的计数值相减得被测信号周期 *控制程序略 *被测频率高于!Da时可采用$系列单片机 !将被测信号 !倍或更高倍频后输入到单片机XE0或XE0引脚 !可利用 0或 0定时&计数器 !设置为定时器 !初值 为 !实 际 上 为 计 数 器 !计 内 部 机 器周期脉冲 *置 F(0Kh!0或 0工作分别受引脚XE0和XE0控 制 !E0 或 XE0 引 脚 有 上 跳 变时 !开始计数 !下跳变时停止计数并产生中断 !单片机响应中断 !计算周期 *电路接口如图 !*X* !多周期同步法当被测频率在中频时 !采用多周期同步法 *如果真正做到由硬件控制计数 !系列单片机只有 !个定时&计数器 !不够 !这里介绍用 $!系列单片机 *$!系列单片机有 -个定时&计数器 *定时&计数器 0用作 , 位 计 数 器 计 被 测 信 号 脉 冲 定 时&计数器 0用作 ,位定时器 !初值为 !计内部时钟脉冲 !置 F(0Kh!00 工 作 受 XE0 E0 控制 0!作为 ,位定时器用来设定定时时间 !如果单片机晶振采用 ! BDa!则其时钟脉冲为 &,$7!,位定时器的最 长 定 时 时 间 只 可 为 ,$*-,&, =7!现将定时器 0!定时设为 $#*-=7!则其定时器初值可设为 D!溢出 $次后 !单片机送出停止计数信号 *()开始由单片 机 置 V* 高 电 屏 !给 出 闸 门 开 启信号 !此时 !计数器 00并不开始计数 !而是等到被测信号的上升沿到来时 !U 触发器的 d 端输出高电平 !才真正开始计数 *当 0!定时时间到时 !单片机清 V* !给出闸门关闭信号 !此时计数器并不立即停止计数 !而是等到被测 信 号 上 升 沿 到 来 时 !U 触 发 器 的 d 输 出 低 电平 !E0E0引脚信 号 变 低 !这 时 才 真 正 结 束 计数 *E0 设 置 为 下 跳 沿 触 发 中 断 方 式 !E0 有 下跳沿时 !产 生 中 断 !SV1 响 应 中 断 !读 00 计 数器值 !一次测量过程完成 *在中断程序里重新开闸门 !0! 重 新 定 时 开 始 !为下次计数做准备 *这时实际闸门与设定的闸门并不严格相等 !但最大差值不超过被测信号的一个周期 *接口电路见图 -*多周期同步法控制程序如下 #B(XE#BT 0!(DBT 0D!(DX周期万方数据制 程 序 分 主 程 序 E0 中 断 子 程测量控!#X$X,-X XX X!第 !卷第 #期 !王淑青等 !基于单片机高精度测频方法的研究-/BT 0!(DBT 0D!(DBT 0!(DBT 0D!(DBT 0BTU!(+UDBTXK!(DBTXV!(DBT 0!STE!(#D2K0)V*BT 0STE!($D! A)S/D! T1E0! ST1E0# H/D! HK0XE0# H 0H!BT$D!0BT$D!0DBT$!D!0BT$-D!0D2K0)/DBT 0!(DBT 0D!(DBT 0!(DBT 0D!(D数器 0对外部脉冲计数 !当 0h$ =7发生溢出时 !响应中断 !关计数器 0*0定时内的计数值 即对应于被测信号的频率 #( + !P( *电路接口如图 #所示 *频率测量控制程序分主程序模块和 0 中断子程序模块 !程序类似以上两程序 !程序略 *#!结论测频设计中将压频变换后信号或交流信号经过信号预处理后 !综合考虑测量范围 %精度 %测量速度 !选择适当的方法 !送给上述电路 *单片机可采用更高频率的 晶 振 !如 晶 振 !# BDa时 !时 钟 脉 冲 频 率 为! BDa!如希望分辨率为 #位时 !当频率低于 /-!Da时采用测周法 &当频率高于 /-!时采用多周期同步法 !定时时间大于%*+$=7&当频率高于$WDa时可采用测频法 *表 是一组智能多功能测频系统中实测数据 !误差小于 *表 !测频系统实测数据BT 0!(DBT 0D!(D2K0)0H!2K0)V*HK0X0!#ESHSAEKH!($D!HK0BT H!(DSHV*输入频率$Da$实测值$Da$+误差$DaHK0#HK0X!在 ST1E0 中计算频率 !计算公式为( +$,$,$-,$!,!参 !考 !文 !献 ! * !测频法当频率在高频段时 !如精度要求不高可采用测频法 *如要求 高 也 可 采 用 多 周 期 同 步 法 *如 用 测 频法 !此时 $系列和 $!系列单片机都可用 !单片机内的两个定时$计数器定义为 #0为计数器 !对脉冲信号计数 !0为定时器 !均工作在方式 *如果单片机 晶 振 采 用 ! BDa!则 其 机 器 周 期为 5F h$7!, 位 定 时 器 的 最 长 定 时 时 间 只 可 为,$-,$7!如设置定时为 $ =7!则 0初值设为 (万方数据 (!丁元杰 *单片微 机 原 理 应 用 B(*北 京 #机 械 工 业 出 版社 !+,* (! 鲍 ! 芳 !王 春 茹 *新 型 单 片 机 频 率 测 量 系 统 的 研 究(*仪表技术与传感器 !) *#-&-$* (!于忠得 *基于单片机的脉冲频率的宽范围高精度测量(*仪表技术 !) *#+&!* (!刘宇 峰 *频 率 测 量 方 法 的 研 究 (*安 全 与 电 磁 兼 容 !) *#/&%*!下转第 #%页!-SSS-X-X -S)D*在定时器 0开始定时计数的同时 !打开计#!A ! -A , # A$#%湖 !北 !工 !业 !大 !学 !学 !报!$年第 #期 !57.9)*#422?.#E*2.?)0;SDKEA.L;!$;=#9G6O82$&80$8,6B8&C0&?58$;0=5M77=6?8LO5?6;98QI;8=8?5M77:M78.9876N=6;8=6J5JIJ81BO96R;87NI5&7358=6?5M77*04; OO89O9878?7?48OO53?66NI78378=685377381B P;456J;?3=J8=8?7M7?8=*C.4D(?2$1B%8QI;8=8?5M77%5M77=6.7?+(G(.R.)64 .*2()8D/7,/87L(.62)E*2.?)*B/)8#.H7/:HJ24I.Q;J #1 CI6.;! $;=8$O2&$D=D0V=8$O20&$0A&0#,6B8&C0&?58$;0=A)#*6;D0#-,%#;&0D$!,6B8&50AF;D0-$DO0D=D0V58$;0&$D=$80O82#,6B8&53O586NN98QI83M=87I9J:787J5834;O36=OI?895Ma8?48OO89*048=8?463M=87I98=8?98;?96I38?48;8:6I?46P?6?48493M=87I98=8?7M7?8=; O9878?83M=87I9J; 36?9658:M4976NP98#P4;4=W87N98QI83M=87I9J4;J45MO98378#36R8;?#J;83M=87I98=8?$;J534;O36=OI?89$98376!责任编辑 张岩芳#万方数据/;3 ; ; ; ; ? ; ; ; 5? 7;9 9 ; ; ./ 3/ c !3 ; ; ; ; 7; 7 3 ; 5 ;7 O ;基于单片机高精度测频方法的研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：王淑青， 吴作健， Wang Shu-qing， WU Zuo-jian王淑青,Wang Shu-qing(湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北,武汉,4300681)， 吴作健,WU Zuo-jian(湖北省通山县职教中心,湖北,通山,437600)湖北工业大学学报JOURNAL OF HUBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2005，20(4)1次参考文献(4条)1.丁元杰 单片微机原理应用 19962.鲍芳.王春茹 新型单片机频率测量系统的研究期刊论文-仪表技术与传感器 2001(2)3.于忠得 基于单片机的脉冲频率的宽范围高精度测量期刊论文-仪表技术 2002(6)4.刘宇峰 频率测量方法的研究期刊论文-安全与电磁兼容 2002(5)相似文献(10条)1.期刊论文 党存禄.张晓英.杨新华.Dang Cunlu.Zhang Xiaoying.Yang Xinhua 基于单片机和CPLD的同步发电机自动准同期装置中频率测量 -电子测量技术2007,30(12)对发电机和电力系统的频率进行精确测量是保证自动准同期装置正确动作的重要条件之一.本文提出了一种基于单片机和CPLD的同步发电机自动准同期装置中的频率测量方法,介绍了频率测量的基本原理,在该原理的基础上采用单片机和CPLD综合技术实现了频率测量,CPLD进行频率检测,单片机进行数据处理与智能控制,并给出了测频电路的硬件电路图和软件流程图.实验表明,单片机与CPLD结合进行测频,测量误差小于10-3,使测量精度得到了提高,而且测量装置的集成度也较高,具有一定的实用价值.2.期刊论文 梁文海.LIANG Wenhai 用单片机实现双计数器多周期同步法频率测量 -现代电子技术2007,30(7)介绍了双计数器多周期同步法频率测量原理,给出了用单片机实现的具体实现方案.系统克服了直接频率测量存在的测量相对误差随着被测信号频率变化而变化的缺点,实现了整个测频范围内测量的精度相同,对系统测频范围从软件和硬件两方面也做了讨论.该系统电路简洁,使用灵活,可以单独作为频率计使用,也可以嵌入到一些需要测量频率的系统中使用.3.期刊论文 肖金球.潘敬熙.诸跃进.Xiao.Jinqiu.Pan.Jingxi.Zhu.Yuejin CPLD在数字频率测量中的应用 -微计算机信息2005(29)本文介绍了以CPLD为核心处理芯片的频率测量系统,整个频率测量系统由CPLD和单片机(89C51)构成,CPLD采集被测频率源,再由单片机读取频率值并由液晶同步显示频率和周期.本系统结合了CPLD的高速及单片机(MCU)的运算控制二个特点.4.期刊论文 俞宁.邹应全.YU Ning.ZOU Yingquan 基于单片机和CPLD的频率测量研究 -现代电子技术2008,31(24)针对单片机进行高频测量存在的响应速度问题,利用CPLD适合精确、高速计数的特点,提出了一种基于单片机和CPLD的频率测量电路,通过CPLD对被测信号分频再与单片机计数值进行比较,实现了高精度、等精度测量,同时又解决了高频测量中存在的问题,满足了系统对响应时间的要求.该项研究成果已经在所设计信号源产品中得到了应用.5.期刊论文 杨冠群 以周期滑动扩展的测周法实现等精度的频率测量 -电子技术应用2002,28(2)针对传统的高频用测频法,低频用测周法的频率测量的精度差异过大的不足,提出了在高低频实现等精度测量的周期滑动扩展的测周法,并在单片机上予以实现.6.期刊论文 曹莉.杜宇人.CAO Li.DU Yuren 一种高精度频率测量系统设计 -现代电子技术2007,30(17)提出了一种高精度频率测量系统的设计方法,应用单片机技术将多周期同步法和量化时延法相结合,实现了频率的高精度快速测量.应用该方法设计出来的测量系统不仅体积小、成本低,而且在不需要复杂的传统等精度频率测量控制的情况下,利用其单片机的自身特性,实现宽范围内实用、简单而且精度较高的等精度频率测量,具有较好的实用价值.7.期刊论文 王宜结 频率测量及其Verilog HDL的实现方法 -中国仪器仪表2007(4)测量频率的方法有直接测量和间接测量两种.直接测量是测量给定的时间内被测信号的周期个数,直接测量精度随着测量的频率而变化.间接测量是通过测量被测信号的整数个周期内所占用的时间间接求出频率,具有等精度的特点.测量电路的硬