單片機(jī)測頻率信號的參數(shù)分析

  
 摘  要：  針對MCS---51、98系列單片機(jī)定時/計(jì)數(shù)器的工作特點(diǎn)，本文通過對頻率信號的分析，對不同參數(shù)的信號提出了不同的方法，通過分析闡明了方法的模塊性規(guī)律，系統(tǒng)地解決了用單片機(jī)測頻率這一類問題。  

   1．引言

    無論何種類型的信號，連續(xù)的或離散的，有規(guī)律的或無規(guī)律的，對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言，首先得通過前向通道的調(diào)理，使信號能夠被機(jī)器所檢測：高低電平的范圍，時序的配合、是否需要鎖存、是否需要分頻等等。

    測速、測V/I、測相位等一般都要用到頻率信號，特別是在工業(yè)控制中。很多變送器如電壓、電量變速器，功率、行程變速器等都有頻率信號或者說脈沖信號的輸出。 頻率信號抗干擾性能好，適于遠(yuǎn)距離傳送，并且頻率信號所需的接口簡單，占用資源少，一般它只占用一路計(jì)數(shù)器接口直接進(jìn)行計(jì)數(shù)或一個中斷源輸入接口，在中斷服務(wù)程序中對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)然也可利用外部計(jì)數(shù)裝置輸入若干路通用I/O接口中。

    總之頻率信號的測量具有靈活的輸入方式，對頻率信號的各種參數(shù)的測量有重要的意義。頻率參數(shù)主要包括周期、高低電平的持續(xù)時間以及占空比。

    2． 周期的測量

    因?yàn)?nbsp; 周期＝脈沖數(shù)/時間 ，為了計(jì)算出單位時間的脈沖數(shù)，首先要有一個時間基準(zhǔn)。如果用單片機(jī)的定時器進(jìn)行定時則直接接入單片機(jī)內(nèi)的信號的最高頻率取決于晶振頻率，由于所測信號的每一個脈沖的高低電平要持續(xù)至少一個機(jī)器周期，即它的周期不得高于2倍的機(jī)器周期；另一方面，一個機(jī)器周期等于6個狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期等于2個晶振周期。            故有： T待測<=24*T晶振。

    2.1低頻信號周期的測量   接線示意圖如圖1，前端屬于信號調(diào)理電路，工作原理是：用一個計(jì)數(shù)器，一個定時器，在設(shè)定的時間內(nèi)對脈沖數(shù)進(jìn)行累加；另一方法是一個定時器一個中斷口，中斷為下降沿觸發(fā)，在中斷程序中計(jì)數(shù)。

    很明顯，上述方法所得計(jì)數(shù)值會受到定時誤差的影響；在精度要求高的場合可以用外接精密脈沖源的方法來規(guī)避此誤差。即：使用外部脈沖進(jìn)行比較計(jì)數(shù)時沒有定時原因造成的誤差。如圖2。此時會有如下的關(guān)系式：    F待測*COUNT標(biāo)準(zhǔn)=F標(biāo)準(zhǔn) *CONNT待測 

 

2.2   高頻信號周期的測量，圖3是一個典型的電路



    這個電路中各部分的功能說明如下：

    AD9686：將非TTL電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)門TL電平,屬于前向調(diào)理電路。

    累加器是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，目的是對信號進(jìn)行分頻，MR為清零端。此處用了兩種不同性能的計(jì)數(shù)器，即74LS197和74LS93。其中LS197是四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率100MHz，它可以進(jìn)行16分頻，如果根據(jù)單片機(jī)的主頻計(jì)算分頻后的頻率仍然高于可測頻則需繼續(xù)分頻，當(dāng)然對后面的分頻芯片的最高工作頻率的要求可以降低。各管腳的輸出為：

        74LS197的輸出：        74LS93的輸出：
Q1:Fin的2分頻   Q2:Fin的4分頻 Q1:Fin的32分頻    Q2:Fin的64分頻
Q3:Fin的8分頻   Q1:Fin的16分頻   Q3:Fin的128分頻   Q1:Fin的256分頻

    本電路采用硬件控制方式，門控位置”1”時，74LS00打開，待測脈沖與基準(zhǔn)脈沖同時進(jìn)入外部硬件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，延時一定時間后，門控位置0，停止計(jì)數(shù)，根據(jù)此時的計(jì)數(shù)值我們有如下關(guān)系式：      COUNT待測/F待測＝COUNT基準(zhǔn)/F基準(zhǔn)根據(jù)需要可只將相應(yīng)的分頻管腳接入單片機(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)，也可采用I/O口全部讀入各位分頻腳的方法，由電路的結(jié)構(gòu)，我們知道此電路有模塊化的優(yōu)點(diǎn)。

    3 脈沖高電平持續(xù)時間的測量

    3.1當(dāng)脈沖頻率較高，每周期高電平時間較短，為了保證精度，需對N次高電平的時間值進(jìn)行平均。接線和流程示意圖如下：



    3.2當(dāng)脈沖頻率較低時，意味著高電平持續(xù)時間較長，此時可用T0或T1的門控方式直接計(jì)數(shù)，為了防止從圖5中的B點(diǎn)開始計(jì)數(shù)，此時有兩種方法來減少誤差：利用軟件的方法：將待測信號經(jīng)過一個非門接入中斷口，在中斷程序中同時打開門控方式的定時，從而保證了從脈沖的上升沿開始計(jì)數(shù)；也可用硬件方法確保從A點(diǎn)開始，這種方法說明如下，采用圖6的JK觸發(fā)器電路，當(dāng)Fin的下降沿到來時，C點(diǎn)電位為高，送入INT0的為低電位。

    上述方法如果高電平時間超過了65535個計(jì)數(shù)值，則應(yīng)對TF0標(biāo)識進(jìn)行判別來擴(kuò)大計(jì)數(shù)量程。



很顯然，只要脈沖信號取反輸入，我們就能得到其低電平持續(xù)時間的測量方法，此不多述。

    4 8098系列單片機(jī)的應(yīng)用

    利用定時器計(jì)數(shù)，測脈沖的寬度。這種方法和上面的相似：通過檢測引腳的上跳變開中斷，同時記錄該時刻值T1，通過檢測引腳的下跳變關(guān)中斷，記錄該時刻的時刻值T2，T2 減 T1加上中斷記錄的中斷次數(shù)對應(yīng)的時間就等于一個周期內(nèi)高電平的持續(xù)時間。

    有特色的是使用8098中的HSI部件（高速輸入通道）。通過引腳輸入脈沖信號，同時可以以四種工作方式：正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)均跳變、每8個正跳變觸發(fā)一次的方法記錄事件發(fā)生的時刻，而不占用CPU的時間。由于事件發(fā)生的時間以定時器T1作為時間基準(zhǔn)，T1又是每8個狀態(tài)計(jì)數(shù)一次，每個狀態(tài)周期是晶振周期的3分頻，所以正負(fù)電平持續(xù)的時間均應(yīng)大于12倍的晶振周期。當(dāng)頻率過高時可以8分頻測頻，頻率可以直接測量時可用兩個HIS引腳輸入同一信號，分別記錄正跳變、負(fù)跳變時刻以及周期個數(shù)從而算出脈沖周期、正電平時間、負(fù)電平時間，進(jìn)一步算出占空比。

    5 結(jié)論

    用單片機(jī)測頻，關(guān)鍵在于分頻、同步、計(jì)數(shù)量程這幾點(diǎn)；前述的方法，計(jì)數(shù)口和外部中斷口可互換使用，只是計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)不同，這要求輸入的方式做響應(yīng)的變化；測出了脈沖信號的高低電位時間就可以利用單片機(jī)的運(yùn)算功能測占空比。