??? 摘? 要： 介紹一種單片機測量時頻參數(shù)時的數(shù)據(jù)處理方法,即線性地址變換法。在存儲容量有效壓縮的基礎(chǔ)上,進一步分析采樣數(shù)據(jù),用軟件實現(xiàn)可控時標,保證測量精度。?

??? 關(guān)鍵詞： 測量? 頻率? 周期? 單片機? 存儲容量

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??? 在智能儀表、網(wǎng)絡(luò)通訊、過程控制等測控系統(tǒng)應(yīng)用中,經(jīng)常需要對脈沖信號的頻率(或周期)進行精確測量。常用的方法是被測信號作為閘門信號,而用一個標準頻率信號作為填充脈沖,在閘門周期內(nèi)對標準頻率信號計數(shù),如圖1所示。設(shè)計數(shù)器的值為N,則被測信號的周期T=N/f₀,頻率f_x=1/T。在以單片機為核心的測控系統(tǒng)中,為了保證信號的測量精度,需要對大量的計數(shù)值N_i進行計算處理,這樣勢必占用較多的存儲單元。如何壓縮數(shù)據(jù)存儲量,是本文要解決的主要問題。

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1 基于單片機系統(tǒng)的時頻參數(shù)測量?

??? 當采用單片機微處理器測量信號頻率(周期)時,定時器T0工作在計數(shù)方式,定時器T1工作在定時方式,T1向外部發(fā)固定頻率的脈沖(時標),T0對時標進行計數(shù)。被測脈沖信號產(chǎn)生一個外部中斷控制信號,向CPU發(fā)出一個中斷請求,CPU響應(yīng)中斷,在中斷服務(wù)程序中把T0的計數(shù)值讀入數(shù)據(jù)存儲器,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移完成后,使T0復(fù)位,重新計數(shù)， 開始新的周期測量,其測量原理如圖2所示。?

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2 線性地址變換?

??? 單片機把計數(shù)值讀入存儲器,是把每一個測出的周期值T_i按其時間先后順序存入存儲器中。這樣,測出的每一個T_i無論是否相同都要用一個單元來存放,且隨著被測信號的平均頻率和測量時間t的增長,所需要的存儲容量就會增加,即:?

??? 存儲容量? M=f·t?

??? 如被測信號平均頻率f=10kHz,則1秒約需存儲容量10KB,10秒約需存儲容量100KB。顯然,單片機片內(nèi)RAM是不能滿足要求的。即使擴充外存,也不宜太大,會有一定的限制。?

??? 但實際上,所測出的T_i中,有相當多是相同的。如果把相同的T_i值用一個單元來存放,則可大大壓縮存儲容量。為此,可采用線性變換的方法,把每個T_i按(1)式轉(zhuǎn)換為單元地址值,并將其內(nèi)容加1,表示已有一個該T_i值。最后該單元的內(nèi)容N_i就表示測量中共有N_i個相同的Ti值出現(xiàn)。?

??? 存儲地址=起始地址+kT_i????????????????? ?? (1)?

??? 式中:起始地址——對應(yīng)于T_i=0的存儲單元地址,根據(jù)所選單片機型號任意設(shè)定。?

??? k——變換比,表示出現(xiàn)T_i值的個數(shù)N_i用k個字節(jié)來存放。

??? k=1,表示T_i對應(yīng)的N_i值用1個字節(jié)存放。?

??? k=2,表示T_i對應(yīng)的N_i值用2個字節(jié)存放。?

??? 這樣:?

??? 存儲容量M=存儲地址最大值-起始地址值=kT_imax (2)?

??? 因此,使用線性地址變換時,存儲容量由測量的最大周期T_imax決定。且當采用計數(shù)方式測T_i值時,若計數(shù)時標周期為t_c,則計數(shù)器測得的T_i值實際上是T_i所包含的t_c個數(shù)。這樣,存儲容量可改寫為:?

??? 存儲容量M=T_imax/t_c???????? ?(設(shè)k=1)????????(3)?

??? 若規(guī)定測量的T_imax=10ms,當設(shè)置t_c=4μs時,M=2.5KB;若要進一步壓縮存儲容量,可增大t_c,如當t_c=8μs時,M=1.25KB,從而可滿足有限存儲容量的要求。?

??? 單片機進行線性地址變換時,用定時器計數(shù)方法測量每一個T_i值,然后用中斷服務(wù)子程序按(1)式進行地址變換,把T_i值轉(zhuǎn)換為地址單元號,并使該單元內(nèi)容加1。如把一次采樣規(guī)定為測n個T_i值,則當把n個T_i采樣完后,在存儲器從起始地址開始的單元內(nèi)就直接存放了如圖3所示的反映被測脈沖頻率波動情況的周期概率分布曲線。圖3中N_i為一次采樣的n個脈沖周期中出現(xiàn)周期為T_i的次數(shù),N_max為N_i中的最大值,T_Nmax為對應(yīng)的周期值。?

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??? 根據(jù)測得的存儲數(shù)據(jù),由數(shù)理統(tǒng)計方法可計算出平均周期?

??? 上述數(shù)據(jù)處理方法既保證了數(shù)據(jù)采樣的信息量又節(jié)約了存儲空間,較真實地反映了采樣期間信號的變化情況。?

3 存儲容量的壓縮與測量精度的保證?

??? 上述數(shù)據(jù)處理方法雖然可用增大時標tc來壓縮存儲容量,但另一方面則可能使測試的相對誤差Δ增大,其最大相對誤差Δ_max出現(xiàn)在測量區(qū)間的低端T_{i min}時:?

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??? 考慮測試誤差,將(4)式代入(3)式,則存儲容量可表示為:?

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??? 此式表明,考慮測試誤差時,要壓縮存儲容量就要壓縮測量區(qū)間。若測量范圍定為50μs～10ms,則測量區(qū)間計算值為:?

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??? 如設(shè)定? Δ_max≤0.01,則M≥20KB。?

??? 因此,為了將存儲容量壓縮到2KB左右,又使其Δ_max≤0.01,則應(yīng)壓縮測量區(qū)間到20以下。?

??? 若把整個測量范圍分成若干個區(qū)間,每個區(qū)間以不同的時標進行測試,就可滿足Δ_max≤0.01,存儲容量2～3KB的要求。?

??? 上述定標是由軟件完成的。采用的方法是先用較大的時標測量一次(稱為粗測),然后從概率分布曲線上找到N_max所對應(yīng)的T_Nmax值,與區(qū)間定標界限系數(shù)相比較,視其所在區(qū)間確定定時器T1的時間常數(shù),輸出相應(yīng)的時標脈沖。自動定標后,以新的時標重新進行測量(稱為精測),精測得到的周期概率分布曲線才作為計算和控制的依據(jù)。?

??? 關(guān)于數(shù)據(jù)采集的軟件流程如圖4所示。?

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??? 隨著單片機主頻的不斷提高,DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為時頻參數(shù)的高精度測量創(chuàng)造了有利條件。本文提出的存儲容量壓縮方法,旨在提供一條解決精度與數(shù)據(jù)存儲量問題的新途徑,特別對于那些有一定離散度的不穩(wěn)定頻率信號是較為適用的。此方法已在多項數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用和驗證,取得了較好的效果。?

參考文獻?

1 何立民. MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計. 北京:北京航空航天大學出版社,1990?

2 沈蘭蓀. 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用. 北京:人民郵電出版社,1995?

3 柳義利. 高速連續(xù)頻率測量. 電子測量技術(shù),1999;25(2)?