單片機(jī)頻率測(cè)量原理

使用單片機(jī)測(cè)量頻率或周期，通常是利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)完成的，測(cè)量的基本方法和原理有兩種：

測(cè)頻法：在限定的時(shí)間內(nèi)（如1秒鐘）檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)。

測(cè)周法：測(cè)試限定的脈沖個(gè)數(shù)之間的時(shí)間。

這兩種方法盡管原理是相同的，但在實(shí)際使用時(shí)，需要根據(jù)待測(cè)頻率的范圍、系統(tǒng)的時(shí)鐘周期、計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度、以及所要求的測(cè)量精度等因素進(jìn)行全面和具體的考慮，尋找和設(shè)計(jì)出適合具體要求的測(cè)量方法。

在具體頻率的測(cè)量中，需要考慮和注意的因素有以下幾點(diǎn)。

ü 系統(tǒng)的時(shí)鐘。首先測(cè)量頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘本身精度要高，因?yàn)椴还苁窍薅y(cè)量時(shí)間還是測(cè)量限定脈沖個(gè)數(shù)的周期，其基本的時(shí)間基準(zhǔn)是系統(tǒng)本身時(shí)鐘產(chǎn)生的。其次是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率值，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率測(cè)量的精度也越高。因此使用AVR測(cè)量頻率時(shí)，建議使用由外部晶體組成的系統(tǒng)的振蕩電路，不使用其內(nèi)部的RC振蕩源，同時(shí)盡量使用頻率比較高的系統(tǒng)時(shí)鐘。

ü 所使用定時(shí)計(jì)數(shù)器的位數(shù)。測(cè)量頻率要使用定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)計(jì)數(shù)器的位數(shù)越長(zhǎng)，可以產(chǎn)生的限定時(shí)間越長(zhǎng)，或在限定時(shí)間里記錄的脈沖個(gè)數(shù)越多，因此也提高了頻率測(cè)量的精度。所以對(duì)頻率測(cè)量精度有一定要求時(shí)，盡量采用16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器。

ü 被測(cè)頻率的范圍。頻率測(cè)量需要根據(jù)被測(cè)頻率的范圍選擇測(cè)量的方式。當(dāng)被測(cè)頻率的范圍比較低時(shí)，最好采用測(cè)周期的方法測(cè)量頻率。而被測(cè)頻率比較高時(shí)，使用測(cè)頻法比較合適。需要注意的是，被測(cè)頻率的最高值一般不能超過(guò)測(cè)頻MCU系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2，因?yàn)楫?dāng)被測(cè)頻率高于MCU時(shí)鐘1/2后，MCU往往不能正確檢測(cè)被測(cè)脈沖的電平變化了。

除了以上三個(gè)因素外，還要考慮頻率測(cè)量的頻度（每秒內(nèi)測(cè)量的次數(shù)），如何與系統(tǒng)中其它任務(wù)處理之間的協(xié)調(diào)工作等。頻率測(cè)量精度要求高時(shí)，還應(yīng)該考慮其它中斷以及中斷響應(yīng)時(shí)間的影響，甚至需要在軟件中考慮采用多次測(cè)量取平均的算法等。

采用測(cè)頻法的頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1） 硬件電路

硬件電路的顯示部分，PA口為8個(gè)LED數(shù)碼管的段輸出，PC口控制8個(gè)LED數(shù)碼管的位掃描。使用T/C0對(duì)被測(cè)信號(hào)輸入的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，被測(cè)頻率信號(hào)由PB0（T0）輸入。

2） 軟件設(shè)計(jì)

我們首先給出系統(tǒng)程序，然后做必要的說(shuō)明。

/*********************************************

File name : demo_11_1.c

Chip type : ATmega16

Program type : Application

Clock frequency : 4.000000 MHz

Memory model : Small

External SRAM size : 0

Data Stack size : 256

*********************************************/

#include

flash char led_7[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};

flash char position[8]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

char dis_buff[8]; // 顯示緩沖區(qū)，存放要顯示的8個(gè)字符的段碼值

char posit;

bit time_1ms_ok,display_ok=0;

char time0_old,time0_new,freq_time;

unsigned int freq;

void display(void) // 8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描函數(shù)

{

PORTC = 0xff;

PORTA = led_7[dis_buff[posit]];

if (posit==5) PORTA = PORTA | 0x80;

PORTC = position[posit];

if (++posit >=8 ) posit = 0;

}

// Timer 2 output compare interrupt service routine

interrupt [TIM2_COMP] void timer2_comp_isr(void)

{

time0_new = TCNT0; // 1ms到，記錄當(dāng)前T/C0的計(jì)數(shù)值

time_1ms_ok = 1;

display_ok = ~display_ok;

if (display_ok) display();

}

void freq_to_disbuff(void) // 將頻率值轉(zhuǎn)化為BCD碼并送入顯示緩沖區(qū)

{

char i,j=7;

for (i=0;i<=4;i++)

{

dis_buff[j-i] = freq % 10;

freq = freq / 10;

}

dis_buff[2] = freq;

}

void main(void)

{

char i;

DDRA=0xFF; // LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)

DDRC=0xFF;

// T/C0初始化，外部計(jì)數(shù)方式

TCCR0=0x06; // 外部T0腳下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，普通模式

TCNT0=0x00;

OCR0=0x00;

// T/C2初始化

TCCR2=0x0B; // 內(nèi)部時(shí)鐘，32分頻（4M/32=125KHz），CTC模式

TCNT2=0x00;

OCR2=0x7C; // OCR2 = 0x7C(124),(124+1)/125=1ms

TIMSK=0x80; // 允許T/C2比較匹配中斷

for (i=0;i<=7;i++) dis_buff[i] = 0;

time0_old = 0;

#asm("sei") // 開(kāi)放全局中斷

while (1)

{

if (time_1ms_ok)

{ // 累計(jì)T/C0的計(jì)數(shù)值

if (time0_new >= time0_old) freq = freq + (time0_new - time0_old);

else freq = freq + (256 - time0_old + time0_new);

time0_old = time0_new;

if (++freq_time >= 100)

{

freq_time = 0; // 100ms到，

freq_to_disbuff(); // 將100ms內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值送顯示

freq = 0;

}

time_1ms_ok = 0;

}

};

}

程序中LED掃描形式函數(shù)desplay()，以及脈沖計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成BCD碼并送顯示緩沖區(qū)函數(shù)freq_to_disbuff()比較簡(jiǎn)單，請(qǐng)讀者自己分析。

在該程序中，使用了兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。T/C0工作在計(jì)數(shù)器方式，對(duì)外部T0引腳輸入的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)（下降沿觸發(fā)）。T/C2工作在CTC方式，每隔1ms中斷一次，該定時(shí)時(shí)間即作為L(zhǎng)ED的顯示掃描，同時(shí)也是限定時(shí)間的基時(shí)。每一次T/C2的中斷中，都首先記錄下T/C0寄存器TCNT0當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，因此前后兩次TCNT0的差值(time0_new – time0_old)或(256 - time0_old + time0_new)就是1ms時(shí)間內(nèi)T0腳輸入的脈沖個(gè)數(shù)。為了提高測(cè)量精度，程序?qū)?00個(gè)1ms的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行了累計(jì)（在變量freq中），即已知限定的時(shí)間為100ms。

讀者還應(yīng)該注意頻率的連續(xù)測(cè)量與LED掃描、BCD碼轉(zhuǎn)換之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。T/C2中斷間隔為1ms，因此在1ms時(shí)間內(nèi)，程序必須將脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行的累計(jì)、BCD碼轉(zhuǎn)換和送入顯示緩沖區(qū)，以及LED的掃描工作完成掉，否則就會(huì)影響到下一次中斷到來(lái)后的處理。

在本實(shí)例的T/C2中斷中，使用了display_ok標(biāo)志，將LED掃描分配在奇數(shù)ms（1、3、5、7、……），而將1ms的TCNT0差值計(jì)算、累積和轉(zhuǎn)換等處理放在主程序中完成。另外由于計(jì)算量大的BCD碼轉(zhuǎn)換是在偶數(shù)ms（100ms）處理，所以程序中LED的掃描處理和BCD碼轉(zhuǎn)換處理不會(huì)同時(shí)進(jìn)行（不會(huì)在兩次中斷間隔的1ms內(nèi)同時(shí)處理LED掃描和BCD碼轉(zhuǎn)換），這就保證了在下一次中斷到達(dá)時(shí)，前一次的處理已經(jīng)全部完成，使頻率的連續(xù)測(cè)量不受影響。

該實(shí)例程序的性能和指標(biāo)為（假定系統(tǒng)時(shí)鐘沒(méi)有誤差 = 4MHz）：

ü 頻率測(cè)量絕對(duì)誤差：±10Hz。由于限定的時(shí)間為100ms，而且T/C0的計(jì)數(shù)值有±1的誤差，換算成頻率為±10Hz。

ü 被測(cè)最高頻率值：255KHz。由于T/C0的長(zhǎng)度8位，所以在1ms中，TO輸入的脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)小于255個(gè)，大于255后造成T/C0的自動(dòng)清另，丟失脈沖個(gè)數(shù)。

ü 測(cè)量頻度：10次/秒。限定的時(shí)間為100ms，連續(xù)測(cè)量，所以為10次/秒。

ü 使用資源：兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)中斷。