基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现

较 " 因此 Œ 这种采用单片机设计的等精度数字测量 技术具有很好的应用前景 " 参考文献
‘ Ž 陈杰美 Œ古天祥 Ž电子测量仪器原理 Ž北京 š国 防工业出版社 Œ‘™˜‘ š’’™ * ’“‘
’ Ž涂时亮 Œ张友德 Œ陈章龙 Ž单片微机软件设计技 术 Ž重庆 š科学技术文献出版社重庆分社 Œ‘™˜˜ š
p 应用与设计
全速 µ³¢ 控制芯片 ³¬‘‘ 的应用
全速 µ³¢ 控制芯片 ³¬‘‘ 的应用
威海北洋电气集团公司
徐发荣 张涛
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Application of Full Speed USB Controller SL11
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摘要 š介绍了 ³£ ¡®¬¯§©£ 公司生产的全速 µ³¢ 控制芯片 ³¬‘‘ 的特点 !功能及其应用方法 " 给出了
器和程序运算功能进行等精度频率测量和显示的实现方法 " 给出了测量原理和装置的Leabharlann Baidu计思想 Œ
最后讨论了装置的性能指标 "
关键词 š单片机 › 等精度 › 测频 › 浮点运算
分类号 š´ -™“•
文献标识码 š¢
文章编号 š‘••– • –™——ˆ’••’‰•” • •••™ • •’
传统的数字频率计具有 ˜ 位或更多位的数码显 示位数 " 这些频率计在测量高频信号时能够达到足 够高的测量精度 Œ但在测量低频信号时 Œ其测量结果 的有效位数将会减少 Œ精度也会相应降低 Œ有时不得 不进行周期测量 Œ 因为传统的频率计采用的是直接 测频法 " 如果输入信号频率的动态范围较大 Œ 为了 保证其测量精度 Œ 就需要频繁地人工切换测频和测 周方式 " 而这两种方式的显示单位又不同 Œ 这就给 观察频率的连续变化带来极大的不便 " 而本文提出 的基于单片机的等精度数字测频装置 Œ 是利用单片 机的内部计数器和程序运算功能 Œ 来进行等精度频 率测量和显示的 Œ 因此不需要其它的测量辅助电 路 " 当输入信号频率大幅度变化时 Œ 该测量装置能 以相同的有效位数来测量和显示信号频率及其变 化"
在笔者研制的 / 水机电联合过渡过程数据采集 系统0中 Œ设计时应用上述等精度测频原理来采集多 路旋浆流速信号和水轮机的转速信号 Œ 取得了良好 的应用效果 " 由于该数据采集系统的测量速度较 快 Œ同时又具有较高的测量精度 Œ因此 Œ可及时反映 流速和转速的波动情况 Œ 也便于和其它同步变化的 测试量 ˆ如压力 ! 水位或流量的波动情况‰ 进行比
³¬‘‘ 是美国 ³£ ¡®¬¯ §©£ 公司生产的支持全速 传输的 µ³¢ 控制芯片 Œ 它符合 µ³¢‘ Ž‘ 规范并支持 上传 ¤- ¡ 数据方式 "³¬‘‘ 带有 ” 个通道 Œ一个用于 控制通道 Œ一个用于 ¤- ¡ 传输通道 Œ还有 ’ 个通用
通道 " 片内所带的 ’•– 字节 ² ¡ - 区可分成两个部 分 Œ 即控制寄存器部分和数据缓冲器部分 " 数据缓 冲部分为 “ 个 –” 字节的缓冲区 Œ其中一个用于控制 通道的收发数据缓冲 Œ 另两个可以用作其它数据通 道的数据缓冲 "该器件具有乒乓ˆ°©®§ • °¯ ®§‰数据 传输功能 Œ可以充分利用 µ³¢ 的高速数据传输能力 来提高传输速度 " ³¬‘‘ 可以和任何 £°µ ! ¤³° 相连 接 " 它具有 ’˜ 脚 °¬£ £ 和 ”˜ 脚 ¬°±¦° 两种封装形 式 " 图 ‘ 为其 ’˜ 脚 °¬£ £ 封装的引脚排列图 "
由于浮点运算结果需再转换为多个单字节的 ¢£ ¤码才能由输出数码管显示 " 转换后的十进制浮 点数阶码决定着数码管上小数点的位置 " 这相当于 在测量过程中进行量程的自动切换 Œ另外 Œ该装置还 可在输入频率范围内保证相同的有效位数 "
测量装置的测频上限为 ÆÏÓÕ’” " 当采用 ’” - ¨Ú 的时钟时 Œ测频上限为 ‘ - ¨Ú Œ因此 Œ该系统可满足低 频信号的测量需要 " 对于更高的信号频率 Œ 可在输 入整形器和单片机之间插入预分频器 Œ 以将信号频 率降低到 ‘ - ¨Ú 以下 " 测频下限并无限制 "
其中 Ä®’ 为计数器 ®’ 产生的量化误差 Œ最大为 ? ‘ 个 ´Ã "在实际设计中 Œ选择适当的时标周期 ´Ã 和 闸门宽度 ´Ç 可使 ®’ 始终足够大 Œ 并在 ÆØ的全频段 范围内得到足够多的有效位数的显示结果 "
“ 基于单片机的等精度数字测频方案
- £³ • •‘ 系列单片机具有两个 ‘– 位的定时器• 计数器 ´‘ 和 ´• Œ它们可分别代替图 ’ 中的计数器 ®‘ 和 ®’ › 单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开 关与被测信号的跳变沿同步 › 利用单片机的数据运 算能力可编制相应的乘除法程序 Œ 并实现测量结果 的等精度显示 "
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“ Ž 孙涵芳 Œ徐爱卿 Ž -£³ • •‘•™– 单片机的原理及 应用 Ž北京 š北京航空学院出版社 Œ ‘™˜˜ š “— *
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收稿日期 š’••‘ • •˜ • •– 咨询编号 š•’•”•“
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其中 ®‘ \‘ " 上式是等精度数字测频的一个重 要数字特征 "
测量完成后 Œ系统将从 ´• 和 ´‘ 读出计数值并计 算出 ÆØ "为了保证计算精度和数据的有效位数 Œ可采 用浮点乘除法运算 " 其数据可由三个字节表示 Œ 其 中阶码占一个字节 Œ尾数占两个字节 Œ可表示的数据 动态范围为 ? ˆ’ Ž— @ ‘••’• * ™ Ž’ @ ‘•‘˜‰ " 在此范围 内 Œ 其显示精度决定于尾数的分辨率 " 因其尾数为 两个字节 Œ故显示分辨率接近 ‘• 进制的 • 位数 "
图 “ 等精度测频原理图
图 ” 测频软件流程图
允许 " 当 ´• 计数满溢出时 Œ可在 Ô’ 时刻产生 ´• 中断 Œ 记录自身的中断次数 Î Œ再次开放 ©®´‘ 的中断允许 " ´•溢出后将从 • 开始继续计数 Œ 直到 Ô“ 时刻由输入信 号产生第二次 ©®´‘ 中断 Œ然后关闭 ´‘ 和 ´• 以完成一 次测量过程 "´‘ 中的计数值代表了输入信号完整的 ®‘ 个周期 "设 ´• 中的/ 剩余0读数为 ®’‡ "则被测信号的 频率可由下式计算 š
’ ³¬‘‘ 的硬件结构
³¬‘‘ 中的寄存器可分为两部分 Œ 其中一部分为 端点寄存器 ˆ控制 µ³¢ 事务和数据流‰ Œ另一部分为 µ³¢ 通用控制寄存器ˆ全局 !其它操作的控制和状态 信息显示‰ "
身的软硬件资源 " 除了显示数码管以外 Œ 该装置再 不需要其它的外部电路 Œ 整个装置显得非常简洁 " 如果进行多路信号频率的测量 Œ 则可利用单片机的 多机通信功能将待测数据集中传送到上位机进行统 一显示和处理 " 而这些都是非单片机型的等精度测 频装置难以实现的 "
‘ 概述
µ³¢ 接口近两年在计算机领域得到了迅速的应 用 " 它是一种带宽为 ‘ Ž• -•Ó* ”˜• -•Ó的通用串 行总线 Œ 主要用于将外设按菊花链的方式连接到微 机上 Œ 可连接多达 ‘’— 个外围设备 Œ 如外部 £ ¤• ² ¯ - 驱动器 !打印机 !扫描仪 !调制解调器 !鼠标和 键盘等 "而且有可能在不久以后由 µ³¢ 取代所有外 设接口 "由于利用 µ³¢ 可实现热插拔和即插即用功 能 Œ同时它连接简单 !灵活性强并可多数据流工作 " 因此目前不少设备带有 µ³¢ 接口 "
Tg = 10n / f0
由于闸门时间是固定的 Œ 所以对于任意的 ÆØ 却 不能保证在 ´Ç 时间内正好有 ®个 ´ØŒ因此会产生最 大 ? ‘ 个 ´Ø的量化误差 Ä®" 这样 Œ可得到直接方式 测频的相对误差为 š
ÄÆØ•ÆØ • Ä®• ®‹ ˆÄÆ••Æ•‰
其中 ÄÆ••Æ• 为晶体振荡器的频率准确度 Œ通常可 达 ‘••– * ‘••˜ ›Ä®• ®为计数值的相对误差 " 当输入 信号频率 ÆØ 很低时 Œ 由于闸门时间有限而测得的 ® 很小 Œ因此 Œ使得测频误差相应增大 Œ测量精度也随 之降低 " 这是直接测频方式的固有缺陷 "
ÆØ • ®‘ • »‘’ˆ–••“–Î ‹ ®’‡‰•ÆÏÓý
图 • 所示的输入信号频率相对较高 "在一次测量 过程中只中断一次 Œ而其间有多个输入信号脉冲 " 如 果信号频率很低 Œ ´• 将多次溢出中断 Œ闸门的启闭取 决于相邻的两个信号脉冲 " 由此可见 Œ测量闸门的时 间宽度是自动可变的 Œ 最长为低频信号的一个周期 Œ 最短为 –••“–´Ã " 实际上 Œ闸门时间可表示为 š
测量装置的无调整精度优于 ‘••” * ‘••• Œ 它主 要取决于单片机驱动时钟频率 ÆÏÓÃ的准确度 " 在要 求较高的测量精度时 Œ可用标准频率计来校正 ÆÏÓÃŒ 以使之达到标称频率 " 而对于一般的工程测试则无 需对 ÆÏÓÃ进行调整 "
” 结束语
图 • 测频波形时序图
本文介绍的等精度频率计充分利用了单片机本
基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现
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p 应用与设计
基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现
武汉大学 陈一新
An Equal- Precision Digital Frequency Meter Based
on Monlithic Microco m puter
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摘要 š 提出了一种基于单片机的等精度数字测频装置的实现方案 " 介绍了利用单片机的内部计数
等精度数字测频装置的最简方案如图 “ 所示 "其 软件流程和波形时序分别如图 ” 和图 • 所示 " 设在 Ô•时刻系统开始进行初始化 Œ ´‘ 和 ´• 分别设置为计数 器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数 Œ它们 的初始值均为 • "时标信号的频率在单片机内固定为 ÆÕ ÆÏÓÕ ‘’ Œ ÆÏÓÃ为单片机的时钟频率 " 外部中断 ©®´‘通常可设置为边沿触发 Œ 开放 ©®´‘ 和 ´• 的中断 允许 "在 Ô‘ 时刻 Œ输入信号的跳变沿产生第一次 ©®´‘ 中断时 Œ 开放 ´‘ 和 ´• 的计数闸门并关闭自身的中断
³¬‘‘ 和 ˜••‘ 单片机的接口连接电路 Œ同时给出了 ³¬‘‘ 的 µ³¢ 列举和标准命令传输的程序清单和
¢µ¬«数据收发过程的主要工作流程图 "
关键字 šµ³¢ 控制 › ³¬‘‘ › ¢µ¬«数据收发
分类号 š´°““–
文献标识码 š¢
文章编号 š‘••– • –™——ˆ’••’‰•” • ••‘‘ • •“
‘ 直接方式测频原理
直接方式测频的一般原理框图如图 ‘ 所示 " 它 是利用计数器在闸门 § 开启期间对输入信号的周 期进行计数来完成测频的 "若设计数值为 ®Œ则输入 信号的频率可表示为 š
fx = N/ Tg
式中 Œ 闸门时间宽度 ´Ç 由晶体振荡器产生的 标准频率 Æ• 经过 Î 级 ‘• 分频得到 Œ即
’ 等精度数字测频原理
等精度数字测频的基本框图如图 ’ 所示 " 图中 的闸门 §‘ ! §’ 分别用来控制输入信号周期计数和闸 门时间宽度计时 "其中 Œ闸门 §‘ 与输入信号同步 Œ这 样可使计数器 ®‘ 的量化误差 Ä®‘ • • "计数器 ®’ 对 标准时标信号周期 ´Ã 进行计数 Œ并以此来测量实际 的闸门宽度 ´Ç " 其输入信号的频率可表示为 š
fx = N1 / Tg = N1 / ( Tc N2 )
标准时标信号也由晶体振荡器产生 Œ它具有足够 的周期稳定度 Œ可看作常数 " 因此 ŒÆØ 的相对误差为 š
图 ‘ 直接方式数字测频原理
图 ’ 等精度数字测频原理
• ‘• •
5国外电子元器件6’••’ 年第 ” 期 ’••’ 年 ” 月
Äfx / fx = ÄN1 / N1 - ÄN2 / N2 = - (ÄN2 / N2)