中心議題：

• 信號采集要求
• 測量頻率和周期的基本方法
• 信號測量單片機控製電路的實現

解決方案：

• 多周期測周法

多(duo)周(zhou)期(qi)測(ce)量(liang)法(fa)是(shi)一(yi)種(zhong)很(hen)靈(ling)活(huo)的(de)頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)
，通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)周(zhou)期(qi)個(ge)數(shu)可(ke)以(yi)在(zai)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)和(he)測(ce)量(liang)時(shi)間(jian)二(er)者(zhe)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)最(zui)佳(jia)選(xuan)擇(ze)，對(dui)於(yu)用(yong)普(pu)通(tong)的(de)測(ce)頻(pin)法(fa)和(he)測(ce)周(zhou)法(fa)難(nan)以(yi)保(bao)證(zheng)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)非(fei)等(deng)周(zhou)期(qi)信(xin)號(hao)，如(ru)氣(qi)壓(ya)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)，多(duo)周(zhou)期(qi)測(ce)量(liang)法(fa)是(shi)最(zui)佳(jia)選(xuan)擇(ze)。另(ling)外(wai)，通(tong)過(guo)提(ti)高(gao)基(ji)準(zhun)頻(pin)率(lv)和(he)選(xuan)用(yong)大(da)容(rong)量(liang)計(ji)數(shu)器(qi)等(deng)措(cuo)施(shi)還(hai)可(ke)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)
，這(zhe)種(zhong)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)可(ke)用(yong)於(yu)高(gao)精(jing)度(du)頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)。
　
信號采集要求
　
在研製基於GPRS的自動氣象站中，氣壓采集係統采用電激勵諧振筒式壓力傳感器。該傳感器輸出為周期C(或頻率f)與氣壓相關的TTL電平的矩形波信號(下稱原始信號)和一個與環境溫度呈線性關係的0～5V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應，單值連續，振動筒諧振頻率的變化反應了氣壓的變化。
　
國家氣象局對氣壓遙測的要求，測量範圍為50～110kPa
，采集的分辨率為0.01kPa，準確度為±0.03kPa，采集速率為6次／min(1min共取6個樣本值，取中間大小的4個值的等權算術平均值)。根據周期C(或頻率f)對氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率，根據周期C(或頻率f)對溫度的最高交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率。通過數據分析，欲使氣壓係統分辨率達0.01kPa
，這就要求周期測量分辨率為0.0026362μs，頻率測量的分辨率為0.068645Hz
，對溫度電壓的分辨率為43mV。

測量頻率和周期的基本方法
　
電子計數器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法，如圖1所示。
　
(1)在測量頻率時，被測信號加在A端，B端加門控信號
，其信號寬度TB即是采樣時間，被測信號頻率為：
　
N為閘門時間TB內的脈衝數。測量的最大誤差為：
　
誤差中前項是量化誤差，後部分是因為標準信號誤差引起。若滿足0.068645Hz分辨率的要求，門控信號寬度TB(采樣時間)要超過15s。按照這種方法，不能達到國家氣象局規定的氣壓采集速率6次／min。


(2)測量信號周期時，標準信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發，其信號寬度TB為被測信號的周期，被測信號周期C為：
　
其中
，N為被測時間內對周期為τ的標準信號計數個數，測量的最大誤差為：
　
誤差中前項是量化誤差，後部分是因為標準信號誤差引起的。若滿足0.0026362μs分辨率的要求，時標信號的頻率要高於379.33MHz，實現難度大
，用微控製器直接測量時是不能完成的。

多周期測周法
　
對信號M分頻後觸發產生門控信號對時標信號計數(如圖2所示)。

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誤差中前項是量化誤差
，後部分是因為標準信號誤差引起的。從式中可知，被測信號周期擴展M倍後，對時標信號的頻率要求不很高，電路容易實現，並能將量化誤差降到單周期測量的1／M；為減小標準信號帶來的誤差，要求時標信號具有較高的精度。
　
觸chu發fa誤wu差cha的de抑yi製zhi傳chuan感gan器qi輸shu出chu的de信xin號hao為wei矩ju形xing波bo信xin號hao由you原yuan始shi振zhen蕩dang信xin號hao經jing整zheng形xing得de到dao，信xin號hao中zhong疊die加jia的de噪zao聲sheng在zai整zheng形xing時shi會hui使shi矩ju形xing波bo信xin號hao的de觸chu發fa沿yan提ti前qian或huo滯zhi後hou。多duo周zhou期qi測ce周zhou時shi使shi相xiang鄰lin周zhou期qi的de觸chu發fa誤wu差cha相xiang互hu抵di消xiao。M個周期的累計觸發誤差隻相當於單個周期的觸發誤差。

信號測量單片機控製電路的實現
　
圖3為多周期測周的原理圖
，其核心是P89LPC935。
　
P89LPC935是PHILIPS公司LPC900係列單片封裝的微控製器
，采用了高性能的處理器結構(與51係列兼容)，速度6倍於標準80C51器件，除51係列單片機資源外還具有8kBFLASH程序存儲器，512片內用戶數據E2PROM存儲區，2個4路輸入的8位A／D轉換器和2個DAC，I2C
，SPI總線


、片內看門狗和複位電路
、捕獲／比較單元(CCU)等資源。


原始信號(傳感器輸出的與氣壓有關的矩形波信號)接到分頻電路CD4020的時鍾輸入端，經256分頻後接到P89LPC935的／INT1端，作為門控信號控製P89LPC935內部的定時計數器1。定時計數器1工作在定時方式
，在門控信號為高電平時計數。時鍾為PCLK，為外接晶振11.0592MHz的2分頻(6倍於標準80C51器件)
，即5.5296MHz。
　
如圖4所示
，原始信號周期C在200μs左右，256分頻後的門控信號周期在51200μs左右(256C)
，一個周期中高電平部分約為25600μs(高電平部分128C)，在高電平時對5.5296MHz計數，其計數值約為141500，超過16位計數器的長度
，將產生溢出並產生中斷。開辟1個內部RAM，在中斷服務子程序中進行加l操作，即可滿足計數字長要求。計數過程如下：
　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
，計數器清零，允許計數
，允許計數器溢出中斷，該過程時間128C
；
　S3：／INT1為高電平時計數器計數
，計數器溢出時產生中斷
，中斷服務子程序中高位加1，該過程時間128C；
　S4：後續處理，包括頻率計算

、溫度采集及其他運算。該過程時間小於128C。


整個計數及處理過程時間小於640C
，在128ms以內，遠小於10s。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，計數值為N
，計算公式為：
　
其中，M=128
；τ=(1／5.5296)μs；128C=(N／5.5296)μs，C=N×0.0014μs。
　
其測量誤差為：
　
誤差中前項是量化誤差
，為0.0014μs；後部分是因為標準信號誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個測量範圍內，C最大值為211.7879μs
，選取準確度優於5ppm的晶振
，該項誤差最大值為：211.7879μs×5ppm=0.0011μs
；兩者的和小於0.0026362μs

，滿足要求。
　
上述的分析計算是兩者絕對值相加，有一定的冗餘。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確度優於5ppm的晶振
，測量周期的誤差最小可控製在0.0011μs。
　
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轉換。A／D轉換時間為μs量級，遠遠小於要求的采樣周期10s
，在溫度采集時
，有足夠的時間對A／D轉換數據進行數據處理
，其具體方法為：每次采集進行18次A／D轉換
，去掉一個最大值和最小值

，取其餘16個數據算術平均值作為最終結果。
　
溫度信號采集的準確度為20mV，優於43mV的要求。
　
該測量方法成功地應用於與河南省氣象局合作開發的自動氣象站中。用多周期測周的方法快速準確測量信號的頻率(周期)基於2個條件：信號是連續的；P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度
、高穩定晶體振蕩器(準確度優於5ppm)。