基于ARM的嵌入式高精度频率计的设计

嵌入式技术 电　子　测　量　技　术
EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY 第32卷第1期2009年1月　
基于ARM的嵌入式高精度频率计的设计
吕运朋1　李海威1　张全法1　蒋华勤2
(1.郑州大学物理工程学院　郑州　450052;2.黄河科技学院　郑州　450052)
摘　要:利用石英晶体微天平测量微量元素时,设计一种高分辨率的频率计至关重要。

通过改进硬件电路,解决了多周期同步测频方法在实际应用中并未完全消除+1误差的问题,彻底消除了被测信号的±1量化误差。

采用高精度有源晶振作为基准频率,利用ARM7微控制器L PC2220实现频率的计算、校准、闸门智能切换等,提高了频率计精度,频率测量分辨率达到0.1Hz以上,尤其适用于实时、高速、高精度测量等场合。

在QCM微量元素分析仪中的应用表明,此方案稳定可靠,测量快速,结果精确。

关键词:ARM;QCM;频率测量;智能化;L PC2220
中图分类号:TP368 文献标识码:B
Design of high resolution frequency meter based on ARM
Lv Yunpeng1　Li Haiwei1　Zhang Quanfa1　Jiang Huaqin2
(1.College of Physical Science and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou450052;
2.Huanghe S&T College,Zhengzhou450052)
Abstract:Designing a high precision cymometer is very important when measuring microelement using QCM(Quartz Crystal Microbalance)instrument.Conventional equal precision frequency measuring principle doesnπt remedy the±1 err in f ull.Designed a new circuit to eliminate the±1err completely.A higher Resolution of0.1Hz is achieved,by way of using a high precision oscillator as the clock benchmark,an ARM7micro controller L PC2220to calculate, calibrate and switch the strobe intelligently.It fits for the microelement measuring,especially in real time,high speed, high2precision applications.The result came out to be accurate,quick,high reliability and in low cost,verified in the QCM microelement measurement equipment.
K eyw ords:ARM;QCM;frequency measure;intelligent;L PC2220
0　引 言
在电子技术各参数中,频率测量的精确度是最高的(10-14),因而人们常利用某种确定的函数关系把其他电参数的精确测量转换为频率的测量。

目前,测量频率方法主要有低频测周期、高频测频率、多周期同步测量法以及多周期完全同步测频法。

采用低频端测周、高频端测频[1]时,存在中界频率测量误差大即测量死区问题,因此频率的测量准确度很难提高到较高的数量级;采用多周期完全同步测频法[223],则闸门控制时间必须是被测信号与时标信号周期个数的最大公约数,因此进行一次完全同步测量需要很长的时间,不适于对实时性要求较高的场合;多周期同步测频法,其最大优点就是与被测信号频率大小无关,测量速度快,精度高。

但多周期同步测量法存在同步电路结构复杂,易造成误触发,可靠性不高,且此方法虽在原理上消除了±1量化误差,但在实际应用中,经过同步电路之后,只消除了-1量化误差,仍不能保证完全消除+1量化误差,因此测量精度会间歇性的出现较大偏差等问题。

本文在多周期同步测频方法的基础上,对此问题作进一步分析,提出了稳定的解决方案,在基于ARM的嵌入式QCM微量元素分析仪器中得到了很好的应用。

1　
多周期同步测频率法原理及误差分析
多周期同步法测频法[427]的实际闸门时间不是固定值,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时产生的±1误差,测量精度大大提高,如图1所示。

图1　多周期同步测量原理图
预置的时间τ和被测信号f
x同时输入到脉冲同步电路,在脉冲同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸
　第32卷电　子　测　量　技　术
门信号T 。

闸门信号同时控制闸门A 和闸门B 的开启和关
闭。

在相同的闸门开启时间T 内,两个计数器分别对标准信号f s 和被测信号f x 进行计数。

具体过程如图2所示。

图2　多周期同步时序图
在测量过程中,预置闸门信号τ的上升沿,启动测量过
程,但此时对基准时钟信号f s 和对被测信号f x 计数的计数器A 、B 并没有立即开始计数。

在τ变为高电平后,f x 的第一个上升沿使得实际闸门信号变为高电平有效信号,使A 和B 分别对f s 和f x 开始计数。

当预置闸门信号变为低电平信号时,计数器A 和B 并没有立即停止计数,而是要等到紧接其后的f x 的上升沿到来时,实际闸门信号变为低电平无效时,A 和B 才停止计数。

假设由计数器A 计得的数为N ,计数器B 计得的数为M ,则:
N =T ×f s
(1)M =T ×f x
(2)根据式(1)和式(2)可得:
f x =
M
N
×f s (3)
式中:T 为同步门控时间;f x (T x )为被测信号频率(周期);
f 0(T 0)为标准晶振信号频率(周期);N 为计数器A 的计数值;M 为计数器B 的计数值。

对式(3)微分得到式(4):
Δf x f
x
=
ΔM M
-
ΔN N
+
Δf s
f
s
(4)
式中:△f s /f s 为标准晶振的频率准确度;△M/M 为计数器B 的计数相对误差;△N/N 为计数器A 的计数相对误差。

误差分析如下:(1)△M/M 项,由于τ和f x 是同步的,即τ的周期为f x 周期的整数倍,则对被测信号的测量中不存在量化误差,△M/M =0;(2)△N/N ,由于f s 没有与τ同步,当闸门打开后,计数器A 对时标信号进行测频时产生量化误差(±1);(3)△f s /f s ,f s 由标准晶振产生,若采用高稳定度的晶振,其准确度可达10-8,则|△f s /f s —可看作常数。

因此多周期同步测频法测量误差只与标准时基信号有关,与被测信号频率大小无关。

2　对多周期同步测频方法存在问题的分析及改
进方案
多周期同步法原理上是通过让被测信号与闸门时间
在上升沿上同步,从而使对被测信号计数的量化误差为0;但此方法在实际应用中,只能保证消除-1量化误差,分析
原因如下:
如图(2)所示,在闸门T 为高电平之后,被测信号上升沿使闸门A 、B 同时开启,此时计数器A 、B 开始计数。

此时由于闸门B 开启,则对被测信号f x 的计数同步,不会出现误差。

但当闸门T 信号变为低,f x 信号上升沿再次到来时,闸门B 变为低电平,原理上此时计数器A 、B 应停止计数,对使闸门T 变为低电平的f x 的最后一个上升沿信号,不应进行计数。

但是由于此时f x 为上升沿,而同步信号到达闸门A 、B 又有一定的延迟,则此时有可能发生+1量化误差,即在闸门B 并未完全关闭时,对f x 此次的上升沿信号又计了一个数
,导致产生+1量化误差。

在实际应用中,其表现为出现间歇性的偏离初始分辨率的频率值。

基于此问题,本文提出了一个解决方案,如图3所示。

图3　多周期同步测频方法的改进原理图
被测信号在经过同步电路的同时,使其经过一个相位延迟电路,然后和同步后闸门信号T 一起到达闸门B 。

由于f x 经过延迟,则经过闸门B 被计数器B 计数时,就避免了出现上述闸门B 关闭时,仍然对f x 多计一个数而造成f x 的+1量化误差。

在图4中,给出闸门和f x 的信号时序示意图,f x 在延迟前标记为
f x 1,延迟后标记为f x 2;同步前闸门为τ,同步后标记为T 。

图4　改进后的多周期同步测频法时序图
如图4所示,预置的时间τ和被测信号f x 1同时输入到脉冲同步电路,在脉冲同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸门信号T 。

从图4可看出,在T 信号下降沿,在f x 1最后一个同步预置时间τ周期的上升沿,也即与右边虚线重叠的f x 1的那个上升沿信号,若被计数器B 计数,就会引起+1误差。

而在实际应用中,在未改进的方案中,这种情况会间歇性的出现,以至于使被测信号分辨率出现间歇性的不可接受的巨大误差。

在本方案中,f x 1在同步的同时,经过延迟电路后为f x 2。

在T 的上升沿与下降沿,与f x 1相比正好错过了半个周期,因此,在T 下降沿,此时f x 2也为下降沿,保证了整个同步计数周期,均不会出现被测信号的±1量化误差。

因此,在保证精度的同时,彻底消除
吕运朋等:基于A RM 的嵌入式高精度频率计的设计
第1期
了被测信号的±1量化误差,提高了多周期同步测频方法
的稳定度。

3　在嵌入式Q CM 微量元素分析仪器中的应用
3.1　频率测量硬件设计
在基于ARM 的嵌入式QCM [8]微量元素分析仪中,频率测量指标为:测量范围1k Hz ～-50M Hz ;频率分辨率:0.1Hz 。

根据压电石英晶体微天平(QCM )的原理,设计了相关的振荡电路、差频电路、有源滤波电路及整形电路,将被测信号处理、整形为低频信号后,以高精度带温度补偿的10M Hz 晶振为基准,利用此改进的多周期同步测频方法进行频率检测,极大的提高了频率测量的精度,稳定性高,分辨率达到了0.1Hz 以上。

此方案利用ARM 微控制器L PC2220[9]的两个32位定时/计数器T0,T1,外部扩展2个双16位高速计数器SN74L V8154,实现了同时对2个通道的频率进行测定。

SN74L V8154是TI 公司生产的一款具有三态输出寄存器的双路16位二进制计数器。

在5V 电压下,最大计数频率可达40M Hz 。

通过级联
,可作为一个32位的二进制计数器使用。

图5给出通道1基于改进的多周期同步测频技术及ARM 嵌入式技术实现测频的的原理示意图。

图5　频率自动跟踪测试原理图
闸门时间控制由L PC2220的PWM 产生。

进行测量
时,首先系统要进行一次预测量,即系统预设一个闸门时间,对被测信号f x 和基准时钟信号f s 进行计数,根据预先设定的精度要求及此次数据处理后的f x 大小,重新设定达到精度所需的闸门时间。

然后再进行细测,每次测量前都可根据精度,由软件自动实时调整闸门时间,实现预定等精度的智能化测量。

测量原理如下:(1)f x 发送到上升沿触发的D 触发器时钟输入端CP ,PWM 闸门信号发送到D 触发器的数据输入端D0,在f x 的上升沿,PWM 经由D 触发器到达Q 端
(标记为PWM ′);同时,f x 在上升沿触发D 触发器的同时,
经过一个相位延迟电路变为f x ′;然后,f x ′与PWM ′一同发送到与门A0,基准信号f s 和PWM ′也同时发送到与门
A1;经过与门A0,A1的同步后,f x ″和f s ′被分别送到T0
和SN74L V8154进行计数。

(2)在PWM ′下降沿,PWM 产生中断,同时ARM 计数器T0及SN74L V8154由于PWM 下降沿到来后,PWM 变为低电平,则同时停止计数,然后
进行数据读取、处理、精度计算及闸门自动切换等工作。

3.2　频率测量软件设计
本系统软件是在ADS1.2平台上,采用C 语言编写完成的。

在基于ARM 的嵌入式QCM 微量元素分析仪器中,此2
通道频率智能跟踪测量为其中一种功能。

2个频率测量通道可同时工作,互不影响。

文中只给出频率测量部分的流程图,如图6所示。

图6　频率测量流程图
4　在嵌入式Q CM 微量元素分析仪器中测得的数
据及其处理
表1　试验结果
f s /Hz
M N f x /Hz
16666.633333199980316666.6417238.283447199961817238.2918261.833652199980018261.8221739.386521299962321739.39f s /Hz
M N f x /Hz
26666.867999299960326666.8633333.4613332399958333333.4736761.8614703399952436761.8741218.82
20607
4999414
41218.83
在表1中,f s 代表标准信号源输出频率,f x 代表实际
测量得到的频率,M 代表被测信号的计数个数,N 代表基准信号源的计数个数,其中,每组频率均经过至少20次测量。

从表1可以看出,每次测量的频率值与标准信号源的值相比,精度及分辨率均可稳定地达到0.1Hz ;在0.01Hz 分辨率上有些许误差。

但从误差原因分析,如果进一步提高基准晶振的稳定度、精度及适当提高测量时间,可以达到0.01Hz 的分辨率。

　第32卷电　子　测　量　技　术
5　结 论
此改进的频率测量电路,彻底消除了±1量化误差,提高了频率测量的稳定度及精度。

在QCM微量元素分析仪器的应用中,用ARM7微处理器L PC2220作为控制核心,充分利用ARM嵌入式技术的软件控制作用,可对测量数据进行预处理,实现量程自动切换、测频上限的扩展及测量精度的预置等,在提高测量过程智能化的同时,实现了实时动态检测,并使整个频率测量过程保持了高稳定度、高精度。

经实验证明,此方法对频率的测量可以实现0.1Hz分辨率的智能采集,可满足对实时性、高速测量等要求高的应用,并在高带宽、高稳定度、高分辨率、测量物质范围广等方面较传统单片机测量方案有较大改进。

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北京航空航天大学出版社,2005.
作者简介
吕运朋,男,1956年9月出生,教授,主要研究方向为嵌入式技术与智能化仪器。

E2Mail:lvyunpeng@
李海威,男,1982年2月出生,硕士,主要研究方向为嵌入式技术与智能化仪器。

E2Mail:lihaiwei169@
张全法,男,1966年出生,副教授,主要研究方向为计算机工程及传感器应用。

E2mail:zhangquanfa@
(上接第69页)
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作者简介
付永杰,女,1975年出生,硕士,工程
师,主要研究方向为时间频率、脉冲参数计
量和测量与自动控制技术研究。

王玉珍,女,1956年出生,高级工程师,主要研究方向为时间频率、脉冲参数计量和电子测量技术研究。