多周期同步測頻法車速測量系統(tǒng)開發(fā)

在評價汽車性能的整車測試實驗中，車速測量是基礎(chǔ)。通常，在整車測試實驗中使用的車速傳感器的輸出信號為頻率信號。范圍在10Hz。lOOkHz內(nèi)。因此，如何在10Hz～100kHz范圍內(nèi)精確測量頻率信號，是整車測試及車速測量中的一個重要問題。

傳統(tǒng)車速測量，一般采用測頻法或測周法。由于其方法本身固有的缺陷，傳統(tǒng)車速測量系統(tǒng)存在著當被測信號的頻率變化范同較大時，精度比較低的缺點。本文介紹了傳統(tǒng)測量方法存在的問題，分析了多周期同步測頻方法如何解決這一個問題，并且給出了用單片機實現(xiàn)的車速測量系統(tǒng)的具體方案，以及利用該系統(tǒng)進行測量的實際結(jié)果。

1 測試方法及測試原理

1．1傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)測量頻率有二種方法：一種方法是計數(shù)器測頻法(簡稱測頻法)。該方法是將被測頻率信號fx加到計數(shù)器的計數(shù)輸入端．使計數(shù)器在標準時間Tc1內(nèi)進行計數(shù)。其誤差主要來源于計數(shù)器只能進行整數(shù)計數(shù)而引起±l誤差，因此計數(shù)器直接測頻法產(chǎn)生的誤差為：

第二種方法是計數(shù)器測周法(簡稱測周法)。該方法將標準頻率信號fc2送到計數(shù)器的計數(shù)輸入端，使被測頻率信號fx控制計數(shù)器的計數(shù)時間Tz。計數(shù)器測周法產(chǎn)生的±1誤差為：

由(1)(2)式可知，在同樣的時間Tc內(nèi)，測頻法的±1誤差隨被測頻率的減小而增大，而測周法的誤籌則隨被測頻率的增大而增大。因此，通常測量高頻信號時采用測頻法，而測量低頻信號時采用測周法。但是無論哪種方法，都只能在一定程度上減小誤差而不能消除誤差。并且，對于頻率變化范圍較大的被測信號，二種方法都不能滿足高精度測量的要求。

1．2多周期同步測頻法

在直接測頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展的多周期同步測頻法，在目前的測頻領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。在多周期同步測頻法中，閘門時間不是同定值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步。

首先，由單片機給出閘門開啟信號，但此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而等糾被測信號的上升沿到來，產(chǎn)生與被測信號同步的實際閘門信號時．兩組計數(shù)器才真正開始計數(shù)。兩組計數(shù)器分別對被測信號和標準頻率脈沖信號計數(shù)。當預置閘門信號關(guān)閉后，計數(shù)器也并不立即停止計數(shù)，而是等到被測信號上升沿到米的時刻才真正結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程。因此．實際閘門時間與設(shè)定閘門時間并不嚴格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。計數(shù)器的開啟和關(guān)閉與被測信號是同步的，即閘門中包含整數(shù)個被測信號周期，因此不存在對被測信號計數(shù)的±l量化誤差。被測信號的頻率計算方法為：

其中，Nx——被測信號的計數(shù)值；N0——標準信號的計數(shù)值；f0——標準信號的頻率

由(3)式可得，多周期同步測頻法產(chǎn)生的誤差為：

由上述分析可知，多周期同步測頻法不存在對被測信號計數(shù)的誤差，測量相對誤差與被測信號頻率大小兄關(guān)，僅與閘門時間及標準頻率信號的頻率大小有關(guān)?？梢酝ㄟ^增大閘門時間或提高標準頻率信號，來提高測量精度。當閘門時間和標準頻率確定后，測量相對精度也確定，即在被測信號的整個頻段內(nèi)測量的精度相同。因此測頻范圍在理論上不受限制。

綜上所述，欲實現(xiàn)整個頻段內(nèi)的高精度頻率測量，應(yīng)采用多周期同步測頻法。

2 多周期同步測頻法車速測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

車速測量系統(tǒng)的核心是單片機測頻模塊，測頻模塊將測量出的信號頻率值(或車速值)實時傳送給車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線將所測頻率值(或車速值)與其他整車性能參數(shù)一起傳送給上位計算機，進行實時記錄并顯示。測量電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。


圖1測雖電路結(jié)構(gòu)圖

2．1單片機測頻模塊的實現(xiàn)

本模塊采用摩托羅拉M68HCl2單片機。該單片機內(nèi)部具有標準定式模塊(TIM)及輸入捕捉(IC)功能。在IC功能啟用后。TIM模塊運行時，16位的自由定時器按照設(shè)定的時鐘頻率循環(huán)計時。當某個被測信號的設(shè)定邊沿到來時，輸入捕捉邏輯立即將自由定時器的內(nèi)容捕捉到IC／OC寄存器中，其分辨能力高達lus甚至更高，并設(shè)置中斷請求標志，隨后軟件可以響應(yīng)中斷或者根據(jù)標志做出處理。因此，利用捕捉中斷功能，可以對被測頻率信號進行計數(shù)。同時，將單片機內(nèi)部時鐘作為標準頻率信號，并可利用自由定時器進行計數(shù)。

白南運行定時器是TIM的核心部分，其TI作頻率直接決定IC／OC的分辨能力。M68HCl2單片機內(nèi)部具有鎖相環(huán)功能。因此利用鎖相環(huán)功可將將單片機內(nèi)部晶振頻率提高很多，實際應(yīng)用中提高到24MHz，使自由定時器的頻率達到12MHz。

綜上所述，將被測頻率信號經(jīng)放大整形后，接入單片機輸入捕捉管腳PORTT0，利用單片機輸入捕捉中斷功能對被測信號進行計數(shù)，同時將單片機內(nèi)部12MHZ時鐘作為標準頻率信號，并通過16位自由定時器進行計時，即可實現(xiàn)多周期同步測頻法。其中fo=12MHz，由于ε=±1/f0T ，因此該方法將具有非常高的測量精度。此外，單片機具有8個獨立的IC／OC通道，M68HCl2單片機可以實現(xiàn)多路頻率信號的同H寸測量。

2．2系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序主要包括：鎖相環(huán)子程序、預置閘門時間子程序、運算處理子程序、CAN總線傳輸數(shù)據(jù)子程序等。程序設(shè)計思路及流程圖如圖2所示。

3 實驗結(jié)果

利用高精度高穩(wěn)定性的頻率信號源對本系統(tǒng)進行標定，取得了比較精確的測量結(jié)果。測量最大相對誤差小于10-6。經(jīng)實驗驗證，通過上位機調(diào)節(jié)閘門時間長短，可以確保本車速測量系統(tǒng)在10Hz～100kHz頻率范圍內(nèi)的高精度測量。

實際實驗中，在車上安裝OES一11型光電式速度傳感器，并將輸出信號(頻率范圍在10-35kHz內(nèi))接入本車速測量系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)鼓實驗臺上進行0—150km/h勻等速與加減速實驗，0．5ms測量并記錄一次實驗數(shù)據(jù)，測試曲線如圖3所示，測量結(jié)果與實際情況相符合。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有測量精度高、測量范圍大、抗干擾性強等優(yōu)點，適用于實際整車測試。


圖2測量程序流程圖


圖3 0—150km／h勻等速與加減速實驗

4 結(jié)論

多周期同步測頻法與傳統(tǒng)測頻法或測周法相比，能夠消除誤差。實現(xiàn)整個頻段內(nèi)的等精度測量。利用該方法設(shè)計的車速測量系統(tǒng)，充分發(fā)揮單片機本身的功能特點，可完成高精度測頻。同時，上位機可以任意控制閘門時間，實現(xiàn)不同的測量速度與測量精度要求。經(jīng)驗證，本車速測量系統(tǒng)在實際整車測試中，取得了精度較高的令人滿意的測試結(jié)果。