基于单片机的频率测量的几种实用方法

; 引
言
单片机。 <=< 原理 交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内 由信号所产生的交变次数或脉冲个数， 即 12 U 3 4 ) 。 可以看出测量 12 必须将 3 或 ) 两个量之一作为闸 门或基准， 对另一个量进行测量。在一般数学电路 中， 对 12 的测量是由电路提供标准闸门信号即 ) U 然后对 56 内的 56 ， 56 通常为 # . 或它的十倍百倍等， 被测信号变化的次数进行计数， 得到 32 ， 即可得到 数字电路中采用的是测 12 U 32 4 56 。对于低频信号， 周期法， 即 52 U # 4 1 2 U ) 4 3 ， 由电路提供标准时基信 号 5. ， 将被测信号的周期作为闸门， 将测量转化为 对标准时基信号进行计数 52 U $25. 。如图 !—# 所 示。在数字电路中， 标准闸门信号或标准时基信号 由专门的电路提供。 利用 )*+$-# 系列单片机， 采用上述测量原理， 标准闸门信号或标准时基信号可由单片机内的定时 只需采用简单的程序控制就可测得对 4 计数器提供， 应的经过信号预处理的 12 或 52 。 周期测量法： 适用于低频信号。采用单片机内 的一个定时 4 计数器， 以单片机内的标准机器周期作 为标准时基信号 5. ， 见图 !—# # 。被测信号的周期 作为信号闸门， 由程序控制开关对时基进行计数得 因此被测信号周期为 52 U $25. 。 $2 ，
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工业仪表与自动化装置
!""( 年第 # 期
基于单片机的频率测量的几种实用方法
陈晓荣， 蔡 萍， 周红全
（上海交通大学自动检测研究所， 上海 !"""("） ［摘 要］ 利用 )*+ , -# 系列单片机的定时 . 计数器可以非常方便地进行信号的频率测量， 文中给出了 ( 种基于单片机的测频方法及程序， 且系统硬件电路结构简单， 软件设计容易。 ［关键词］ 频率； 测量； 单片机 ［中图分类号］ （!""(） /)%(-0# ［文献标识码］ 1 ［文章编号］ #"""$"23! "#$""’"$"(
!"#"$%& ’$"()*(%& +"),-./ -0 0$"12"3(4 +"/2$"+"3) 5%/". -3 % /*36&"7(,*’ (-+’2)"$
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< 测量原理
<=; 信号预处理 单片机是数字信号处理工具。输入单片机的信 号必需是离散的数字信号或者是脉冲信号。因此检 测来的正弦信号必需经过预处理变为单片机能接受 的， 且是采集简便， 计算工作量较少的信号。首先将 信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号， 同 时也进行线性放大， 使之变为一波形正规幅值适当 的正弦信号， 然后经过零比较器变为方波信号进入
间的信号可用多周期同步法进行测量。
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （上接第 36 页） 图 3—6 为手动方式 下的画面， 在画面上可显 示活塞 下行次数和电机 此时的运行状态， 可随时 切换到其它工作方式， 也
图 3—6 手动方式画面
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%"#, 从计数器的计数范围看： 采用 6))@A 定时计数 值可达 DDDD4 > ?6676， 即可测 &7&)E)4= 的信号， 但 是， 单片机晶振为 &(5.， 其机器周期 !" > &5 : &(5. 对外部脉冲计数， 确认一个脉冲跳变， 单片 > &) !" ， 机至少要用 5 个机器周期， 这样就限制了被测信号 的频率上限 %$&’$ > %(") （ * 5!&5） > &(5. : 53 > 6)F4=。
机内的两个定时 $ 计数器。一个作为定时器， 给出标 准闸门信号 %& ； 另一个作为计数器， 对 #" 的变化次 数直接进行计数得 !" ， #" % !" $ %& 。见图 !—" ’ 。
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测量方法
周期测量法 对于低频信号的测量， 采用周期测量法。将单
片机内定时 $ 计数器 &$ 定为 "’ 位定时器， 对内部机 器周期计数， 即方式控制字为 ( $")。定时器的开 检测到上 关由程序根据 *+,! 口上的状态进行控制， 当紧接着的另一个上升沿被检测 升沿时开 &$ 计数， 到时关 &$ 计数。 &$ 中的计数值为 (" ， 则被测信号 周期 %" % ("%) ， 对于 ",!-). 晶振， %) % "$ !) 。电路 接口如图 +—" 所示：
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的缘故。电路接口如图 7—7 所示。 频率测量控制程序如下： …… .+,B： .12 .12 .12 .12 .12 .12 !"#$ !"#$ …… *+,#： ,#&： !-.’ /0% /0% .12 .12 #.1;， #0) ， #4) ， #0& ， #4& ， ,"， #%) #%& *+,# #%) #%& 3)4， 3&4， #0) #4) < &64 < ))4 < ))4 < )$)4 < 7/4 < CC4
图 +—! 多周期同步法电路接口图
多周期同步法程序如下： …… -/01： -23 -23 -23 -23 -23 -23 9:&8 &-24， &5$ ， &)$ ， &5" ， &)" ， 0:， &;$ ( $?4) ( $$) ( $$) ( $8$) ( +=) ( DD)
图 +—"
周期测量法电路接口图
频率信号抗干扰性强， 易于传输， 可以达到较高 准确度的测量， 所以在测控系统中， 测频方法的研究 越来越受到重视。多种非频率量的传感信号要转化 为频率量进行测量。由于单片机内部含有稳定度较 高的标准频率源、 定时 . 计数器等硬件， 能很方便地 对外部信号或标准频率信号进行计数， 并且可以进 行计数的逻辑控制以及数据存储运算等， 使得基于 单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、 更实 用的功能及更便宜的价格。
%"#, 多周期同步法的闸门时间不是固定的值， 而是 被测信号的整周期倍， 即与被测信号同步， 因此消除 了对被测信号计数产生的 8 & 个误差， 测量准确度 大大提高， 而且达到了在整个测量频段的等精度测 量。 !"! 频率测量法 将 ./! 9 6& 单片机内的两个定时 : 计数器分别 定义： 均采用方式 &， 即方 #) 为计数器， #& 为定时器， 式控制 字 #.1; 为 < 6&4。如 果 单 片 机 晶 振 采 用 则其机器周期为 !" > &) &? 位定时器的 &(5.4=， !" ， 最长定时时间只可为 ?66(7?@A， 现将定时器 #& 内部 定时设为 6))@A， 则其定时器初值可设为 < 7/$)4。 计数器 #) 对信号脉冲计数， 其初始值清为 < ))))4。 打开计数器 当定时器 #& 开始定时计数的同时， 响应 当 #& > 6))@A 发生溢出时， #) 对外部脉冲计数； 中断 ， 关 计 数 器 #) 。 #) 内 的 计 数 值 #$ 即 对 应 于 被 系数 5 是由于定时 6))@A 测信号的频率： % $ > 5 #$ ，
97-* 多周期同步法
对内部机 &$ 为 "’ 位计数器， &" 为 "’ 位定时器， 器周期计数。 &$ 、 &" 分别受 01&$ 及 01&（即 4 触发器 " 的 > 端） 控制， 即方式控制字为 ( $?4)。待测信号 分别输入至 &$ 及 4 触发器的 =5@ 端。开始 测 量 时， 将单片机 *",$ 口 （即 4 触发器的 4 端） 置 “ "” ， 即 参考闸门信号。一般来说， #" 正 *",$ 口状态改变时， 处于某一周期的高电平或低电平处， 触发器 > 端的 状态并不会立即改变 （即实际闸门信号） ， 而是在下 一个 #" 脉冲的上升沿到来时变为高电平， &$ 与 &" 才开始启动， 实现了二者的同步。在定时时刻到来 后， 将 *",$ 清零， 但触发器的 > 端仍将维持高电平状 态， 直 至 下 一 个 #" 的 脉 冲 上 升 沿 到 达。 对 于 将 &" 定时设为 A$$BC， 则其 ",!-). 晶振， %) % "$ !) ， 初值为 ( $+=8$)。电路接口如图 +—! 所示：
结束语
设计开发周期很 ’*!65)A 人机界面简单实用， 短， 性能价格比优， 在小型电器控制系统中的应用前 景很好， 已经越来越多地在各个领域得到应用。
［参考文献］ ［&］ 方承远 ( 工厂电气控制技术 ［.］ 机械工业出版 ( 北京： 社， &KK&( ［5］ 柳梁 ( ’0/ 中的新技术 ［ -］ ( 机电工程， &KKC(5( ［7］ 倪勇， 等 ( 工业级人机界面在中药包装中的应用 ［ -］ ( 制造业自动化， 5)))(6(
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结
论wk.baidu.com
对于一般交流信号经过信号预处理后并满足单 片机所需 ##0 电平， 即可送给上述电路进行频率或 周期测量。对于 6F4= 以上的频率信号可采用频率 测量法， 对 6))4= 以下的信号最好采用周期测量法， 这样能保证较高的测量精度。对于 6))4= G 6F4= 之
图 7—7
频率测量法电路接口图
周期测量控制程序如下： …… 方数据 万 -/01： -23 &-24， ( $")
・ 35 ・ !"#$ !"#$ …… *+,#&： ,#&： !-.’ /0% /0% /0% .12 .12 .12 .12 #%& ’&() *+,#& %&() #%) #%& 3)4， #0) 3&4， #4) 354， 6)4 374， )/74
收稿日期： !""#$#!$#! 作者简介： 陈晓荣 （#%&’$） ， 女， 山东文登市人， 博士生， 研究方向 为光电检测及信号处理。
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工业仪表与自动化装置
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图 !—" 测量原理示意图
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多周期同步法： 适用于中频信号。其特点是标 准频率信号不是用来填充待测信号的周期， 而是与 待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。首 先， 由单片机 （或相应控制电路） 给出闸门开启信号， 此时， 计数器并不开始计数， 而是等到被测信号的上 升沿到来时， 才真正开始计数。然后， 两级计数器分 别对被测信号和标准信号计数。当单片机给出闸门 关闭信号后， 计数器并不立即停止计数而是等到被 测信号上升沿来到的时刻才真正结束计数， 完成一 次测量过程， 见图 !—"#。可以看出， 实际闸门与参 考闸门并不严格相等， 但最大差值不超过被测信号 的一个周期。设对被测信号的计数值为 !" ， 对时基 时基信号的频率为 # $ ， 则被测 信号的计数值为 !$ ， 信号的频率为： #" % !" # !$ $ 频率测量法： 适用于高频信号。充分利用单片