一種多周期測量頻率的方法及應用
2008-04-12 00:00:00李廣明楊雷
現代電子技術 2008年12期
摘 要：利用多周期測量方法，通過對信號進行分頻準確測量出氣壓傳感器輸出信號的周期和頻率。利用P89LPC935內部的A/D轉換器測量環境溫度進行溫度補償，選取準確度優于5 ppm的晶振，測量周期的誤差最小可控制在0.001 1 μs。該測量方法成功地應用于與河南省氣象局合作開發的自動氣象站中。用多周期測量的方法快速準確測量信號的頻率（周期）基于2個條件：信號是連續的；單片機的晶振必須使用外接的高精度、高穩定晶體振蕩器。
關鍵詞：頻率測量；多周期測量法；測量誤差；A/D轉換器
Method and Appication of Multi-period Frequency Measurement
LI Guangming，YANG Lei
(Dongguan University of Technology，Dongguan，523808，China
Abstract： To measure frequency of the atmospheric pressure by using the electrically-induced resonator pressure transducer，multi-period measurement method is employed，which obtains accurate results by dividing signal frequency.Accurate atmospheric pressure is obtained via temperature compensation with the environmental temperature acquired from the ADC on P89LPC935.The prerequisite for using this period measuring method is choosing a crystal oscillator with its accuracy better than 5 ppm.Thereby the minimum measuring error can be controlled within 0.001 1 μs.The presented measuring method is successfully used in the automatic weather station developed through our cooperation with Henan Weather Bureau.The two important conditions for using the multi-period measurement method to measure a signal period (frequency accurately and fast are: the signal has highly-stable frequency and is a continuous signal;the crystal oscillator of the single chip is an external highly-accurate and highly-stable crystal oscillator.
eywords：frequency measurement;multi-period measurement method;measuring error;A/D converter
1 引 言
多周期測量法是一種很靈活的頻率測量方法，通過調整被測信號的周期個數可以在測量精度和測量時間二者之間做出最佳選擇，對于用普通的測頻法和測周法難以保證測量精度的非等周期信號，如氣壓傳感器的輸出信號，多周期測量法是最佳選擇。 另外，通過提高基準頻率和選用大容量計數器等措施還可以進一步提高系統的測量精度，這種測量方法可用于高精度頻率測量系統的設計中。
2 信號采集要求
在研制基于GPRS的自動氣象站中，氣壓采集系統采用電激勵諧振筒式壓力傳感器。該傳感器輸出為周期C（或頻率f）與氣壓相關的TTL電平的矩形波信號(下稱原始信號和一個與環境溫度呈線性關系的0~5 V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應，單值連續，振動筒諧振頻率的變化反應了氣壓的變化。
國家氣象局對氣壓遙測的要求［1］，測量范圍為50~110 kPa，采集的分辨率為0.01 kPa，準確度為±0.03 kPa，采集速率為6次／min（1 min共取6個樣本值，取中間大小的4個值的等權算術平均值）。根據周期C（或頻率f）對氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率，根據周期C（或頻率f）對溫度的最高交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率。通過數據分析，欲使氣壓系統分辨率達0.01 kPa，這就要求周期測量分辨率為0.002 636 2 μs，頻率測量的分辨率為0.068 645 Hz，對溫度電壓的分辨率為43 mV。
3 測量頻率和周期的基本方法
電子計數器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法［2，3］，如圖1所示。
（1） 在測量頻率時，被測信號加在A端，B端加門控信號，其信號寬度TB即是采樣時間，被測信號頻率為：
5 信號測量單片機控制電路的實現
圖3為多周期測周的原理圖，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構（與51系列兼容），速度6 倍于標準80C51器件，除51系列單片機資源外還具有8 kB FLASH程序存儲器，512片內用戶數據E2PROM存儲區，2個4 路輸入的8 位A/D 轉換器和2個DAC，I2C，SPI 總線、片內看門狗和復位電路、捕獲/比較單元（CCU）等資源。
原始信號（傳感器輸出的與氣壓有關的矩形波信號）接到分頻電路CD4020的時鐘輸入端，經256分頻后接到P89LPC935的／INT1端，作為門控信號控制P89LPC935內部的定時計數器1。定時計數器1工作在定時方式，在門控信號為高電平時計數。時鐘為PCL，為外接晶振11.059 2 MHz的2分頻（6 倍于標準80C51器件），即5.529 6 MHz。
如圖4所示，原始信號周期C在200 μs左右，256分頻后的門控信號周期在51 200 μs左右（256C），一個周期中高電平部分約為25 600 μs（高電平部分128 C），在高電平時對5.529 6 MHz計數，其計數值約為141 500，超過16位計數器的長度，將產生溢出并產生中斷。開辟1個內部RAM，在中斷服務子程序中進行加1操作，即可滿足計數字長要求。計數過程如下：
S1：首先判斷／INT1是否為高電平，該過程時間最長256C；
S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，計數器清零，允許計數，允許計數器溢出中斷，該過程時間128C；
S3：／INT1為高電平時計數器計數，計數器溢出時產生中斷，中斷服務子程序中高位加1，該過程時間128C；S4：后續處理，包括頻率計算、溫度采集及其他運算。該過程時間小于128C。
整個計數及處理過程時間小于640 C，在128 ms以內，遠小于10 s。原始信號的周期C及測量誤差如下計算。
6 結 語
該測量方法成功地應用于與河南省氣象局合作開發的自動氣象站中。用多周期測周的方法快速準確測量信號的頻率（周期）基于2個條件：信號是連續的；P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度、高穩定晶體振蕩器（準確度優于5 ppm）。
參 考 文 獻
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