摘 要：利用多周期測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻準(zhǔn)確測(cè)量出氣壓傳感器輸出信號(hào)的周期和頻率。利用P89LPC935內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，測(cè)量周期的誤差最小可控制在0.001 1 μs。該測(cè)量方法成功地應(yīng)用于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；單片機(jī)的晶振必須使用外接的高精度、高穩(wěn)定晶體振蕩器。

關(guān)鍵詞：頻率測(cè)量；多周期測(cè)量法；測(cè)量誤差；A/D轉(zhuǎn)換器

Method and Appication of Multi-period Frequency Measurement

LI Guangming，YANG Lei

(Dongguan University of Technology，Dongguan，523808，China

Abstract： To measure frequency of the atmospheric pressure by using the electrically-induced resonator pressure transducer，multi-period measurement method is employed，which obtains accurate results by dividing signal frequency.Accurate atmospheric pressure is obtained via temperature compensation with the environmental temperature acquired from the ADC on P89LPC935.The prerequisite for using this period measuring method is choosing a crystal oscillator with its accuracy better than 5 ppm.Thereby the minimum measuring error can be controlled within 0.001 1 μs.The presented measuring method is successfully used in the automatic weather station developed through our cooperation with Henan Weather Bureau.The two important conditions for using the multi-period measurement method to measure a signal period (frequency accurately and fast are: the signal has highly-stable frequency and is a continuous signal;the crystal oscillator of the single chip is an external highly-accurate and highly-stable crystal oscillator.

eywords：frequency measurement;multi-period measurement method;measuring error;A/D converter

1 引 言

多周期測(cè)量法是一種很靈活的頻率測(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)量精度和測(cè)量時(shí)間二者之間做出最佳選擇，對(duì)于用普通的測(cè)頻法和測(cè)周法難以保證測(cè)量精度的非等周期信號(hào)，如氣壓傳感器的輸出信號(hào)，多周期測(cè)量法是最佳選擇。 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)量精度，這種測(cè)量方法可用于高精度頻率測(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0~5 V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^［1］，測(cè)量范圍為50~110 kPa，采集的分辨率為0.01 kPa，準(zhǔn)確度為±0.03 kPa，采集速率為6次／min（1 min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)氣壓的最低靈敏度來(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)溫度的最高交叉靈敏度決定對(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)0.01 kPa，這就要求周期測(cè)量分辨率為0.002 636 2 μs，頻率測(cè)量的分辨率為0.068 645 Hz，對(duì)溫度電壓的分辨率為43 mV。

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控法^［2，3］，如圖1所示。

（1） 在測(cè)量頻率時(shí)，被測(cè)信號(hào)加在A端，B端加門控信號(hào)，其信號(hào)寬度T_B即是采樣時(shí)間，被測(cè)信號(hào)頻率為：

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(jī)資源外還具有8 kB FLASH程序存儲(chǔ)器，512片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲(chǔ)區(qū)，2個(gè)4 路輸入的8 位A/D 轉(zhuǎn)換器和2個(gè)DAC，I2C，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。

原始信號(hào)（傳感器輸出的與氣壓有關(guān)的矩形波信號(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，在門控信號(hào)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)。時(shí)鐘為PCL，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(hào)周期C在200 μs左右，256分頻后的門控信號(hào)周期在51 200 μs左右（256C），一個(gè)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(shí)對(duì)5.529 6 MHz計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值約為141 500，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1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)間最長(zhǎng)256C；

S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，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128C；

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128C；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)間小于128C。

整個(gè)計(jì)數(shù)及處理過(guò)程時(shí)間小于640 C，在128 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)小于10 s。原始信號(hào)的周期C及測(cè)量誤差如下計(jì)算。

6 結(jié) 語(yǔ)

該測(cè)量方法成功地應(yīng)用于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)周的方法快速準(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精度、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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