信號測量單片機控制電路的實現(xiàn) - 多周期測量頻率的方法及應(yīng)用

　　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(jié)構(gòu)(與51系列兼容)，速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲區(qū)，2個4路輸入的8位A/D轉(zhuǎn)換器和2個DAC，I2C，SPI總線、片內(nèi)看門狗和復(fù)位電路、捕獲/比較單元(CCU)等資源。

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　　原始信號(傳感器輸出的與氣壓有關(guān)的矩形波信號)接到分頻電路CD4020的時鐘輸入端，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的/INT1端，作為門控信號控制P89LPC935內(nèi)部的定時計數(shù)器1。定時計數(shù)器1工作在定時方式，在門控信號為高電平時計數(shù)。時鐘為PCLK，為外接晶振11.059 2 MHz的2分頻(6倍于標(biāo)準(zhǔn)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 200μs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(shù)，其計數(shù)值約為141 500，超過16位計數(shù)器的長度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷。開辟1個內(nèi)部RAM，在中斷服務(wù)子程序中進行加l操作，即可滿足計數(shù)字長要求。計數(shù)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(shù)器清零，允許計數(shù)，允許計數(shù)器溢出中斷，該過程時間128C;

　　S3：/INT1為高電平時計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器溢出時產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)子程序中高位加1，該過程時間128C;

　　S4：后續(xù)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。

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　　整個計數(shù)及處理過程時間小于640 C，在128 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)小于10 s。原始信號的周期C及測量誤差如下計算。原始信號的周期為C，計數(shù)值為N，計算公式為：

　　其中，M=128;τ=(1/5.529 6)μs;128C=(N/5.5296)μs，C=N×0.001 4μs。

　　其測量誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，為0.001 4μs;后部分是因為標(biāo)準(zhǔn)信號誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個測量范圍內(nèi)，C最大值為211.787 9μs，選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，該項誤差最大值為：211.787 9μs×5 ppm=0.001 1μs;兩者的和小于0.002 636 2μs，滿足要求。

　　上述的分析計算是兩者絕對值相加，有一定的冗余。如果進一步提高M值，將進一步減小量化誤差。

　　用該方法測量周期的前提條件是選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，測量周期的誤差最小可控制在0.001 1μs。

　　將溫度信號直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10(P0.1)引腳，進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換時間為μs量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的采樣周期10 s，在溫度采集時，有足夠的時間對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，其具體方法為：每次采集進行18次A/D轉(zhuǎn)換，去掉一個最大值和最小值，取其余16個數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。

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

　　6 結(jié) 語

　　該測量方法成功地應(yīng)用于與河南省氣象局合作開發(fā)的自動氣象站中。用多周期測周的方法快速準(zhǔn)確測量信號的頻率(周期)基于2個條件：信號是連續(xù)的;P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度、高穩(wěn)定晶體振蕩器(準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm)。