1 引 言

    多周期測(cè)量法是一種非常靈活的頻率測(cè)量方法，通過(guò)調(diào)整被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)可以在測(cè)量和測(cè)量時(shí)間二者之間做出的選擇，對(duì)于用普通的測(cè)頻法（在頻率、速度等脈沖類測(cè)量過(guò)程中，在指定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)，讓脈沖個(gè)數(shù)與指定的時(shí)間比較來(lái)測(cè)定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)頻法）和測(cè)周法（在頻率、速度等脈沖類測(cè)量過(guò)程中，采集指定的脈沖個(gè)數(shù)，與過(guò)程時(shí)間比較來(lái)測(cè)定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定數(shù)采樣或定脈沖采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)周法）難以保證測(cè)量的非等周期信號(hào)，如氣壓 傳感器的輸出信號(hào)，而多周期測(cè)量法則是選擇。另外，通過(guò)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，這種測(cè)量方法可用于高頻率測(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（TTL電平信號(hào)被利用的多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)于邏輯“0”，這被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)）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0～5V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(guó)家氣象局對(duì)氣壓遙測(cè)的要求，測(cè)量范圍為50～110kPa，采集的分辨率為0.01kPa，準(zhǔn)確度為±0.03kPa，采集速率為6次／min（1min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)氣壓的靈敏度來(lái)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)溫度的交叉靈敏度決定對(duì)溫度電壓的分辨率。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達(dá)0.01kPa，這就要求周期測(cè)量分辨率為0.002 6362μs，頻率測(cè)量的分辨率為0.068 645Hz，對(duì)溫度電壓的分辨率為43mV。

　　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(mén)控法，如圖1所示。

　?。?）在測(cè)量頻率時(shí)，被測(cè)信號(hào)加在A端，B端加門(mén)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(mén)時(shí)間TB內(nèi)的脈沖數(shù)。測(cè)量的誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分則是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起。若滿足0.068 645Hz分辨率的要求，門(mén)控信號(hào)寬度TB（采樣時(shí)間）要超過(guò)15s。按照這種方法，不能達(dá)到國(guó)家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次／min。

　?。?）測(cè)量信號(hào)周期時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加在A端，B端門(mén)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 2μs分辨率的要求， 時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要高于379.33MHz，實(shí)現(xiàn)難度很大，用微控制器直接測(cè)量時(shí)是不能完成的。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

　　4 多周期測(cè)周法

　　對(duì)信號(hào)M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門(mén)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。從式子中我們可以看出，被測(cè)信號(hào)周期擴(kuò)展M倍后，對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要求并不是很高，電路很容易就可以實(shí)現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測(cè)量的1／M；為了減小標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)帶來(lái)的誤差，要求時(shí)標(biāo)信號(hào)具有較高的。

　　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，其是P89LPC935。

　　P89LPC935是一款低成本單片封裝微控制器。P89LPC935基于高性能的處理架構(gòu)，執(zhí)行指令僅需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。P89LPC935集成了多種系統(tǒng)級(jí)功能，以便極大減少元件數(shù)目和減小電路板面積，從而降低系統(tǒng)成本。

　　P89LPC935參數(shù)如下所示：

　　原始信號(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(mén)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(mén)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 2MHz的2分頻（6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件），即5.529 6MHz。

　　如圖4所示，原始信號(hào)周期C在200μs左右，256分頻后的門(mén)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25600μs（高電平部分128C），在高電平時(shí)對(duì)5.5296MHz計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值約為141500 ，超過(guò)16位計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷。開(kāi)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(guò)程如下：

　　S1：首先判斷／INT1是否為高電平，該過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)為256C；

　　S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，則將計(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(guò)程時(shí)間為 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(guò)程時(shí)間為 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(guò)程時(shí)間則要小于128C。

　　整個(gè)計(jì)數(shù)以及處理過(guò)程的總時(shí)間要小于640C，在128ms以內(nèi)，遠(yuǎn)小于10s。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值為211.787 9μs，選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5ppm的晶振，該項(xiàng)誤差值為：211.787 9μs× 5ppm=0.001 1μs；兩者的和加起來(lái)小于0.002 636 2μs，則滿足要求。

　　上述的分析計(jì)算是兩者相加，有一定的冗余。如果進(jìn)一步提高M(jìn)值，將進(jìn)一步的減小量化誤差。

　　用該方法測(cè)量周期的前提條件是選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5ppm的晶振，測(cè)量周期的誤差可控制在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10s，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)值和值，取其余16個(gè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為終結(jié) 果。

　　溫度信號(hào)采集的準(zhǔn)確度為20mV，優(yōu)于43mV的要求。

　　6 結(jié) 語(yǔ)

　　這個(gè)測(cè)量方法成功地應(yīng)用在與河南省氣象局合作開(kāi)發(fā)的自動(dòng)氣象站中。用多周期測(cè)量的方法快速準(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、高穩(wěn)定晶體振蕩器（準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm）。

參考文獻(xiàn):

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