基于单片机的等精度数字测频.docVIP

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门放大整形Tx图2：电子计数器测周期原理图8XX51单片机的定时器T1由TH1，TL1组成，定时器T0由TH0，TL0组成。它们均为八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8AH8DH。它们用于存放定时或计数的初始值。此外，内部还有一个八位的方式寄存器TMOD和一个八位的控制寄存器TCON，用于选择定时器的工作方式，如计数还是定时（C/T），启动的方式（GATE）及发启动控制信号TRx。12OSCTFxTL（8位）THx(8位) Ta脚 控制&TR11GATEINTx脚图3：定时器工作原理图定时和计数实质都是对脉冲的计数，只是被计的脉冲的来源不同，定时方式的计数初值和被计脉冲的周期有关，而计数方式的计数初值只和被计脉冲的个数有关（计由高到低的边沿数）。 （以8031为例）8031单片机内含有两个16位可编程定时/计数器。均可编程对内部机器周期计数（定时方式），或对外部引脚输入的脉冲进行计数（计数方式）。CPU工作于12MHz主频时，外部最高计数频率500KHz，内部时钟计数频率达1MHz。定时器的基准定时脉冲周期为1s，当采用测频方式时，T/C0编程为计数方式，对被测信号频率计数，产生欲置的检测时间。由于定时器最长的定时时间为65535s，欲产生更长的检测时间需使用软件计数器，中断多次即可获得所需检测时间。被测频率较低时，则选用测周方式；T/C1编程为定时方式，用来对m个输入脉冲周期所经历的时间计时。 微处理器的主要优点之一是可以利用微处理器的数据处理能力，减小测量过程中产生的随机误差和系统误差，从而提高测量精度，所以往往把单片机运用在电子测量过程中，来提高测量精度。测量时间 频率计 数计数器Nx预置门 预置输入 输出计数器No控制门同步门 Fx时标Fo 图4：等精度测量原理框图实现等精度测量原理，关键是使Nx不产生误差，而No不超过1误差。利用PC机总线技术，设计了相应的控制门电路，实现对被测频率信号的计数及相应的精确闸门时间，并使闸门的开启与关闭和被测信号的有效跳变同步。 预置门的打开和关闭由被测信号和预置的测量时间控制，计数器Nx在预置门的控制下对被测信号频率计数，控制门根据预置门产生一个与被测信号同步的同步门；计数器No在同步门的控制下对时标计数，得到精确的闸门时间Tg。设时标周期为To，则被测频率Fx=Nx/NoTo。单片机采用定时1秒的测频法先对信号进行预测，软件根据频率高低自动选择检测时间或周期扩展倍数，以保证各档都有较高测量精度。当输入信号频率超过100kHz时，信号经扩展计数器分频后送入8031按测频法测量，频率检测时间设有三档，分别为0.01s、0.1s、1s。在转入周期测量后，信号直接送入单片机，周期扩展倍数有104、103、102、10、1五档。由于单片机的最高计数频率为500kHz，限制了测频范围，必须对高频进行分频。扩展n分频器后，将会产生分频误差。这个n分频最大将导致(n-1)个待测频率周期的分频误差。该误差量级与“1”误差相当，甚至更大。为了提高测频分辨率，我们采用了硬件同步分频技术，即在闸门开启的有效上升沿时刻，对74LS591分频器清零。在闸门关闭时刻，将分频状态打入总线缓冲器74LS244，8031通过缓冲器读出其值,从而消除了“分频误差”。在本系统中，T/C1编程为定时方式时，在12MHz晶振下其最大定时时间只有65.536ms，需采用软件来扩展计数器的容量。即计数器每溢出中断一次,片内RAM的内容加一计数，这样大大扩大了单片机的计数范围。但同时也引入了中断响应的时间误差，我们称之为“软件误差”。频率计的核心是时间基准的正确性，因此在中断后重置定时器时间常数时，不能简单地采用重置办法。从单片机的中断响应系统及其响应过程可知:(1)定时器每次溢出中断时，WAIT语句必须执行完才能响应，该条指令的执行时间为2s，我们取其平均延迟时间为1s；(2)CPU响应中断到执行中断服务程序首条指令至少需3个完整的机器周期，即延3s；(3)中断服务程序中实际的定时时间是在执行完时间常数的装载指令后才开始，两条装载指令占用4s。根据以上分析。每次中断后，将延迟约8s后才开始定时。实际获得的定时时间必须考虑到8s的延迟，该频率计采用软件补偿的处理方法来降低其影响。由于软件修正相当方便在仪器调试中可作进一步的调整,因此基本上可消除软件误差。频率计根据被测信号频率的大小，软件控制自动切换频率检测时间，或自动转换为周期测量，选择适当的周期扩展倍数。其软件设计采用模块化结构设计，程序设计与调试都很方便，功能扩充也很灵活。单片机上电复位后，首先执行主程序,完成有关芯片和定时器的初始化，设置数据缓冲区、显示方式、数据计数器初值及频率初测方式等。开中断后，随时检测外部中断和定时器所发出的中断请求信号，一旦有则转入相应的中断服务程序，否则返回显示程序，显示所测的频率值。参考文献：1蒋焕文 孙续，电子测量，中国计量出版社，1988年2杨光友 朱宏辉等，单片微型计算机原理及接口技术，中国水利水电出版社，2002年3夏雪生，微机化仪器设计，科学出版社，1988年4夏雪生，微处理机测试装置，上海科学技术文献出版社，1988年5 马炫，等精度频率脉冲信号采集测试系统，西安理工大学，1997.11(3).50-52. 单片机在等精度测频中的应用-频率检测是电子测量领域的最基本测量之一,它与许多电气参数的测量都有着十分密切的关系。单片机具有控制灵活、性价比高的特点,为了充分挖掘其测频潜力,我们设计了一种由8031单片机控制的自动频率计。1测量原理8031单片机内含两个16位可编程定时/计数器,均可编程对内部机器周期计数(定时方式),或对外部引脚输入的脉冲进行计数(计数方式)。CPU工作于12MHz主频时,外部最高计数频率500kHz,内部时钟计数频率达1MHz,定时器的基准定时脉冲周期为1s,因而选用8031构成频率计是比较理想的。当采用测频方式时,T/C0编程为计数方式,对被测信号频率计数。T/C1编程为定时方式,对内部时钟脉冲计数,产生预置的检测时间。由于定时器最长的定时时间为65535s,欲产生更长的检测时间需使用软件计数器,中断多次即可获得所需检测时间。被测频率较低时,则选用测周方式。T/C1仍编程为定时方式,用来对m个输入脉冲周期所经历的时间计时。为提高测量精度,输入脉冲同时也被引到INT0脚,在脉冲的下跳沿产生一个中断请求,CPU在两种情况下响应这个中断请求:(1)每次采样开始时,响应这个中断请求,启动定时器开始计时,保证了与输入信号同步,从而使计数误差由1个减小到0.5个,(2)在转入周期测量后,响应这个中断请求,关闭T/C1的计时,将T/C1的计数值乘以机器周期便得到m个输入信号的周期。除了以上两种情况,INT0的中断请求是被屏蔽的。2硬件设计我们只用很少的硬件和一些价格低廉的器件就构成了一台中高精度的自动频率计(最大允许误差为10-5数量级)。它主要由单片机最小系统、放大整形电路、分频电路等组成。2.1单片机最小系统及LED显示电路频率计采用控制灵活、性价比高的8031单片机做主机,与4k程序存贮器EPROM2732、地址锁存器74LS373构成单片机最小系统。由于8031的两个定时/计数器已全部用于频率检测,难以用于实现动态扫描所需的定时功能,故本系统采用静态显示方式。因此,软件设计简单,不需CPU不停地扫描,节省CPU时间。本系统LED的驱动电流由6片串入并出移位寄存器74LS164提供,74LS164串级后与8031的串行口相连,串行口工作于操作模式0,即作同步移位寄存器用。2.2放大整形电路频率计作为一种通用测试仪表,输入信号幅值变化较大。图1所示电路就是对幅值过大或过小的信号均能自动进行调节,并用隔直电容滤掉信号的直流成分,信号的交变成分通过比较器A2整形,使其整形为符合TTL电平规范的数字信号波形。4051多路模拟开关和输入宽带运放A1构成一比例系数可调的放大器。8031单片机通过P1.4、P1.5、P1.6三位来选通不同的反馈电阻(分别为2k、10k、50k、250k、1M、5M、25M、100M),使之对信号有不同的放大(或衰减)倍数。比较器A3用于判断信号的幅值是否达到2.5伏,8031通过查询P1.7的状态来判断信号幅值是否达到2.5伏,如果不够2.5伏,则继续增大比例系数。程序初始化时,8031控制P1.4、P1.5、P1.6三位均输出低电平,4051多路模拟开关选通X=X0,反馈电阻为2k,比例系数=1/250,被测信号衰减250倍。然后,8031通过判断P1.7的状态来不断增大比例系数,直到信号的幅值达到所要求的范围。2.3扩展计数器(分频器)8031最高计数频率有500kHz(12MHz/24)。如图2所示,为了提高频率检测上限,我们扩展了一片八位二进制计数器74LS591。74LS591只用于高频信号的频率测量,其最高响应频率为120MHz。74LS591与8031的T0串接,构成24位二进制计数器,8031通过总线缓冲器74LS244来读取扩展计数器的计数值。 3 提高测量精度的措施3.1 等精度测量单片机采用定时1秒的测频法先对信号进行预测,软件根据频率高低自动选择检测时间或周期扩展倍数,以保证各档都有较高测量精度。当输入信号频率超过100kHz时,信号经扩展计数器分频后送入8031按测频法测量,频率检测时间设有三档,分别为0.01s、0.1s、1s。在转入周期测量后,信号直接送入单片机,周期扩展倍数有104、103、102、10、1五档。3.2 分频误差由于单片机的最高计数频率为500kHz,限制了测频范围,必须对高频进行分频。扩展n分频器后,将会产生分频误差。这个n分频最大将导致(n-1)个待测频率周期的分频误差。该误差量级与“1”误差相当,甚至更大。为了提高测频分辨率,我们采用了硬件同步分频技术,即在闸门开启的有效上升沿时刻,对74LS591分频器清零。在闸门关闭时刻,将分频状态打入总线缓冲器74LS244,8031通过缓冲器读出其值,从而消除了“分频误差”。3.3 软件误差在本系统中,T/C1编程为定时方式时,在12MHz晶振下其最大定时时间只有65.536ms,需采用软件来扩展计数器的容量。即计数器每溢出中断一次,片内RAM的内容加一计数,这样大大扩大了单片机的计数范围。但同时也引入了中断响应的时间误差,我们称之为“软件误差”。频率计的核心是时间基准的正确性,因此在中断后重置定时器时间常数时,不能简单地采用重置办法。从单片机的中断响应系统及其响应过程可知:(1)定时器每次溢出中断时,WAIT语句必须执行完才能响应,该条指令的执行时间为2s,我们取其平均延迟时间为1s;(2)CPU响应中断到执行中断服务程序首条指令至少需3个完整的机器周期,即延迟3s;(3)中断服务程序中实际的定时时间是在执行完时间常数的装载指令后才开始,两条装载指令占用了4s。根据以上分析,每次中断后,将延迟约8s后才开始定时。实际获得的定时时间必须考虑到8s的延迟,该频率计采用软件补偿的处理方法来降低其影响。由于软件修正相当方便,在仪器调试中可作进一步的调整,因此基本上可消除软件误差。4 软件设计频率计根据被测信号频率的大小,软件控制自动切换频率检测时间,或自动转换为周期测量,选择适当的周期扩展倍数。其软件设计采用模块化结构设计,程序设计与调试都很方便,功能扩充也很灵活。单片机上电复位后,首先执行主程序,完成有关芯片和定时器的初始化,设置数据缓冲区、显示方式、数据计数器初值及频率初测方式等。开中断后,随时检测外部中断和定时器所发出的中断请求信号,一旦有则转入相应的中断服务程序,否则返回显示程序,显示所测的频率值。频率