馮曉偉，李正生

（第二炮兵工程學(xué)院101教研室，陜西西安710025）

傳統(tǒng)的頻率測量方法有兩種[1-2]：直接測頻法和測周期法。直接測頻法[3]是在給定的閘門信號中填入被測脈沖，通過必要的計(jì)數(shù)電路，得到填充脈沖的個(gè)數(shù)，從而獲得待測信號的頻率。測周期法[4]是在一個(gè)信號周期內(nèi)記錄下基準(zhǔn)定時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)，然后換算成頻率f。而測信號幅度則采用峰值保持電路加ADC完成。筆者在進(jìn)行課題設(shè)計(jì)時(shí)，遇到了這樣一個(gè)問題：對某裝備輸出的頻率19±1 kHz、幅度4.3～5.5 V的非標(biāo)準(zhǔn)方波信號，需要測試它的幅度值和頻率。對于非標(biāo)準(zhǔn)方波信號幅度和頻率的測量，傳統(tǒng)方法是采用峰值保持電路和ADC測量幅度值，用脈沖整形電路和計(jì)數(shù)器測量頻率，這樣雖然可以完成測試任務(wù)，但是測量電路復(fù)雜且分離，測量方法不能統(tǒng)一。采用幅度和頻率值一體化測量的方法，可以精簡測試電路，簡化測試方法。

1 ADC測頻法概述

單片微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了測量儀表和測量系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化[5]。使用ADC（Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是單片機(jī)的一個(gè)典型應(yīng)用。

假如某次對被測周期信號采樣結(jié)果如圖1所示（圖中“*”為采樣點(diǎn)）。

圖1 采樣示意圖Fig.1 Sketch map of sampling

這里先定義一個(gè)特征點(diǎn)的概念，特征點(diǎn)是這樣的一個(gè)點(diǎn)，它的數(shù)值大于或等于設(shè)定閾值，而它前一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值小于閾值，如圖1中的e點(diǎn)和p點(diǎn)。

程序從第一個(gè)測得的點(diǎn)開始，逐點(diǎn)尋找特征點(diǎn)，當(dāng)找到一個(gè)特征點(diǎn)后從該點(diǎn)開始計(jì)數(shù)（如圖1中點(diǎn)e），繼續(xù)向后逐點(diǎn)查詢，直到下一個(gè)臨近的特征點(diǎn)（如圖1中點(diǎn)p），則視兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為一個(gè)脈沖周期，該周期值與采樣周期和計(jì)數(shù)值的關(guān)系為：

其中，T為被測周期，n為計(jì)數(shù)值，t為采樣周期，其誤差為±t，為減小誤差可多采樣幾個(gè)脈沖周期，然后取平均值。而這些采樣值中的最大值就是被測信號幅度值。

根據(jù)Nyquist抽樣定理[6]，只要抽樣頻率大于兩倍信號最高頻率，則整個(gè)連續(xù)信號就可以完整地用它的抽樣值來代替，而不會(huì)丟失掉任何信號。工程中通常以信號最高頻率的8倍以上采樣，這對于普通的信號采集來說已經(jīng)足夠了，然而本系統(tǒng)為了獲得較高的測頻精度，采用ADC以最高頻率的500倍，即10 MHz的采樣頻率對被測信號進(jìn)行采樣。

2 硬件設(shè)計(jì)

由PC104通過CPLD譯碼控制ADC以一定的頻率采樣，由FIFO存儲(chǔ)采樣結(jié)果，采樣結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示處理結(jié)果，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖Fig.2 Block diagram of sytem overall design

系統(tǒng)電原理圖如圖3所示，U1為ADC1175，它是一種最大采樣速率達(dá)20 MHz的8位高速ADC，其模擬電壓輸入范圍為0～2.5 V，而被測信號的幅值為4.3～5.5 V，故需要先對信號幅度進(jìn)行調(diào)理，系統(tǒng)采用一級減法電路將信號幅度減去3.3 V，得到幅值為1.0～2.2 V的方波信號，方波信號的底端經(jīng)減法器后變?yōu)樨?fù)電壓值，而負(fù)電壓值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值為0，故不影響測頻及測幅結(jié)果，U3為CY7C4261，它是一種容量為16 kB、讀寫速度達(dá)100 MHz的高速FIFO（先進(jìn)先出存儲(chǔ)器），用于存儲(chǔ)ADC的采樣結(jié)果。3.3 V參考電壓由ADR366提供，2.5 V參考電壓由ADR361提供，10 MHz高精度采樣時(shí)鐘信號由有源晶振提供。U2是高密度、高性能的CPLD[7]，其型號為EPM7128STC100-10，主要用于對PC104的地址譯碼，完成對ADC芯片的控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，1JP2為PC104的ISA總線，完成測試板與PC104的通信工作。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic diagrams

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于C++Builder 6.0[8]編寫，主要完成系統(tǒng)初始化設(shè)置、總線通信控制、數(shù)據(jù)采樣控制、數(shù)據(jù)的讀取與計(jì)算、結(jié)果顯示等工作，ADC以10 MHz的頻率對被測信號進(jìn)行多個(gè)周期的采樣并同步存儲(chǔ)在FIFO中，當(dāng)FIFO存滿后自動(dòng)停止存儲(chǔ)，并由軟件從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。由于采樣頻率較高，故在采樣開始后FIFO會(huì)很快存滿，因此不用等待FIFO的中斷信號，而是稍作延遲即可開始讀取數(shù)據(jù)。采樣結(jié)束后的頻率計(jì)算流程圖如圖4所示。

3.1 W indows XP下C++Builder對ISA總線的讀寫控制

上位機(jī)系統(tǒng)對ISA總線的端口讀寫控制最簡單的就是使用inport（…）和outport（…）函數(shù)，或者通過內(nèi)嵌匯編語言的方式來實(shí)現(xiàn)，這兩種端口讀寫操作方法在Windows 95/98下面工作很正常，但是在Windows NT/2000/XP上就會(huì)出現(xiàn)非法指令調(diào)用問題，這些非法指令來自于底層對IO端口的直接地址訪問。在Windows 95/98時(shí)代，這些操作是沒有受到保護(hù)的，而在Windows NT/2000/XP就會(huì)出現(xiàn)保護(hù)問題，為了解決這個(gè)問題需要使用第三方提供的WinIO程序庫[9]。WinIO程序庫允許在32位的Windows應(yīng)用程序中直接對I/O端口和物理內(nèi)存進(jìn)行存取操作。通過使用一種內(nèi)核模式的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和其他幾種底層編程技巧，它繞過了Windows系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制。

在需要開始采樣前，程序首先調(diào)用WinIO函數(shù)庫提供的InitializeWinIo（）函數(shù)初始化WinIO函數(shù)庫，當(dāng)需要采樣時(shí)，程序利用SetPortVal（…）函數(shù)通過CPLD譯碼向ADC、FIFO芯片發(fā)出控制命令，系統(tǒng)進(jìn)行高速采樣存儲(chǔ)，采樣完畢再利用GetPortVal（…）函數(shù)讀取FIFO中的采樣結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)處理，處理全部結(jié)束后調(diào)用ShutdownWinIo（）清除WinIO庫。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software

3.2 CPLD對ADC的高速采樣控制

由于C++Builder的定時(shí)器組件定時(shí)最小單位僅為1 ms，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)對ADC 10 MHz的采樣頻率頻率要求，故不能依靠上位機(jī)直接對ADC進(jìn)行采樣控制，而需要采用FIFO作為高速采樣存儲(chǔ)器。

本系統(tǒng)中使用CPLD作為地址譯碼譯碼器，可進(jìn)行高速采樣存儲(chǔ)控制，當(dāng)需要采樣時(shí)，上位機(jī)給出正確的地址碼，當(dāng)CPLD檢測到地址碼后，便以控制ADC以10 MHz的頻率控制采樣，并將采樣結(jié)果存儲(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中，采樣完畢后再由上位機(jī)將FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行后續(xù)處理。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所述方法的正確性與可行性，制作了硬件電路，并對F05型函數(shù)發(fā)生器輸出的方波信號進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 ADC頻幅同測法測試結(jié)果Tab.1 The test result of Frequency and Amplitude Measurement by ADC

5 結(jié)束語

本文論述了在windows XP系統(tǒng)環(huán)境下基于PC104總線對非標(biāo)準(zhǔn)方波信號頻幅同測的方法。該方法測試簡便、接口簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)，由表1所示測試結(jié)果可見，該方法還具有測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。工程應(yīng)用中需要同時(shí)測量方波信號[10]的幅度和頻率的場合較多，此方法具有較寬的應(yīng)用前景。

[1] 周霞，趙雪飛，張紅芳，等.基于ARM的等精度測頻技術(shù)在機(jī)組轉(zhuǎn)速測控中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2010，34（1）:18-20.ZHOU Xia，ZHAO Xue-fei，ZHANG Hong-fang.Application of ARMbased equal precision frequency measurement method to rotational speed measuring and control system[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（1）:18-20.

[2] 劉國華，何華鋒，田鵬飛，等.基于PC104總線和CPLD的測頻模件設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（2）:86-89.LIU Guo-hua，HE Hua-feng，TIAN Peng-fei，et al.Design of frequency measuring module based on PC104 and CPLD[J].Modern Electronic Technique，33（2）:86-89.

[3] 魏鐘記，劉峰，汪銘東.數(shù)字測頻方法及實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2006，29（4）：28-29.WEI Zhong-ji，LIU Feng，WANG Ming-dong.Digital measure method of frequency and it’s reality[J].Electronic Measurement Technology，2006，29（4）:28-29.

[4] 王宏利，程旭德，徐兵，等.基于AT89C51的智能測頻儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2007，15（3）:410-412.WANG Hong-li，CHENG Xu-de，XU Bing，et al.Design of intelligent cymometer based on single chip microcomputer AT89C51[J].Computer measurement and Control，2007，15（3）:410-412.

[5] 求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].2版.北京：人民郵電出版社，2008.

[6] 程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[7] 宋萬杰，羅豐，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[8] 程展鵬.Borland C++Builder應(yīng)用開發(fā)技術(shù)解析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[9] 李桂巖，魏賓，賈瑞鳳.在C++Builder中實(shí)現(xiàn)I/O端口的讀寫操作[J].硅谷，2009（17）：70-71.LI Gui-yan，WEI Bin，JIA Rui-feng.Realization of I/O port read and writes in C++builder[J].Silicon Valley，2009（17）:70-71.

[10] 王坤.基于SVPWM的STATCOM設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].陜西電力，2011，39（1）:11-15.WANG Kun.SVPWMbased design and realization of STATCOM[J].Shaanxi Electric Power，2011，39（1）:11-15.