一种频率信号测量方法设计_赵兀君.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering76近年来，电子技术发展快速，频率信号测量在电子设计、测量领域中广泛应用1。由逻辑电路和时序电路设计的频率计一般测量的频率范围较小，响应速度较慢。频率信号是一种抗干扰能力强、便于传输的信号传输方式，被多种类型传感器用作输出信号，如速度、转速类的传感器。一般情况下传感器输出频率值与对应测量值呈线性关系，当传感器测量静态信号时，传感器输出稳定的频率信号，该信号能够很准确的被测量和计算，不易产生偏差。但是当传感器测量动态变化信号时，传感器输出的频率信号会跟随被测信号产生波动，当采用脉冲宽度测量的方式测量频率时，输出频率数据跟随被测信号波动，导致获取的被测信号脉冲宽度不同于等步长采样数据，信号波形在频率高点被拉长；在频率低点被缩短，进而影响均值求解，影响对被测频率信号的处理，从而导致频率测量的精度较低。本文提出一种频率信号测量方法，将被测信号经放大处理，并通过整形电路将信号转换成脉冲信号，通过单片机读取单位时间内的脉冲数，计算出被测信号的频率值，且具有结构简单、精度高等优点。1 总体方案设计1.1 频率测量方案设计频率信号测量的方法有多种：（1）快速傅里叶变换方法；（2）输入捕获法；（3）脉冲计数方法，这三种方案的优缺点如下：方案一，快速傅里叶变换（FFT）方法，任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号1，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。FFT 测频的频率分辨率只与信号时宽有关，根据谱线的最大值来换算信号的频率，如果信号的频率正好落在一根谱线上，得到的频率测量结果是准确的，而在多数情况下，信号频率落在两根谱线之间，由最大值谱线位置反映的频率不再准确，最大测频误差为 f/2。根据奈奎斯特定理可知，理论上采样频谱大于等于信号的最高频率。采样周期的倒数是频谱分辨率，最高频率的倒数是采样周期。设定采样点数为 N，采样频率 fs，最高频率 fh，故频谱分辨率 f=fs/N，而 fs=2fh，所以可以看出最高频率与频谱分辨率是相互矛盾的，提高频谱分辨率 f 的同时，在 N 确定的情况下必定会导致最高频率 fh的减小；同样的，提高最高频率 fh的同时必会引起 f 的增大，即分辨率变大。通过 AD 采集被测信号，通过快速傅里叶变换，可计算出被测信号的频率值，但是这种方法运算量较大，且被测信号的频率受制于单片机的采样、处理速率，对处理器运算处理能力要求高，影响设备的任务处理能力；方案二，输入捕获法，对于一般捕获模式及计频方法，通过电平变化时间差2。使用定时器的输入捕获功能来捕获高电平脉宽，也就是要先设置输入捕获为上升沿检测，记录发生上升沿的时候 T1 的值。然后配置捕获信号为下降沿捕获，当下降沿到来时，发生捕获，并记录此时的 T2 值。这样，(T2-T1)就是高电平的脉宽，从而可以计算出高电平脉宽的准确时间。将被测信号输入到单片机的输入捕获端口，通过单片机的定时器输入捕获功能计算出被测信号的频率值，这种方法需依赖单片机的输入捕获功能，不便于移植；一种频率信号测量方法设计赵兀君1*高深圳2（1.海装驻南昌地区军事代表室 江西省景德镇市 333000）（2.汉中一零一航空电子设备有限公司 陕西省西安市 710119）摘要：本文通过对快速傅里叶方法，输入捕获方法，信号脉冲计数方法等频率测量方法比较、分析，提出一种信号脉冲技术测量方法，将被测频率信号经放大、整形处理，通过单片机读取单位时间内的脉冲数，计算出被测信号的频率值，具有结构简单、精度高等优点。经验证，可满足频率采集精度 1%的要求（被测信号频率0.8V时，比较器输出低电平，当输入电平Vi0.8V时，比较器输出高电平。通过电压比较器将放大后的被测信号整形成脉冲信号，脉冲信号输入到单片机端口进行计数处理。2.2.2 RS422 通讯电路设计RS-422 标准是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号地线，共 5 根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 256 个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向实现全双工数据传输。RS-422需要终端电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。RS422 通讯电路选用 MAX3491 芯片，MAX3491 具有短路电流限制，接收器输入具有故障保护功能，具有发送、接收使能引脚，通讯速率可达 10Mbps，见图 5，MAX3491 实现 RS422 信号和 UART TTL 信号的转换，RE 脚为接收使能引脚，DE 为发送使能引脚。2.2.3 显示电路设计OLED 显示器支持 4 线 SPI 通信模式，总共只需要4 根信号线通信，这些信号线如下：（1）CS：OLED 片选信号；（2）RST(RES)：硬复位 OLED；（3）DC：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）；（4）SCLK(D0)：串行时钟线。在 4 线串行模式下，D0 信号线作为串行时钟线 SCLK；（5）SDIN(D1)：串行数据线。在 4 线串行模式下，D1 信号线作为串行数据线 SDIN；在 4 线串行模式下，只能往模块写数据而不能读数据，每个数据长度均为 8 位，DC 线用作命令/数据的标志线。如图 6 所示。3 软件程序设计频率测量装置采用层次化的设计方法，将软件程序分为：驱动层、接口层和应用层的三层程序结构；驱动层实现 ADC、定时器、UART、I/O 等硬件接口相关的操作，接口层实现应用层与驱动层的交互操作，应用层实现数据解析、数据处理、显示、具体的功能8。3.1 功能需求及软件任务划分根据功能的需求，频率采集装置实现对被测信号频率信号的采集、显示和发送。对频率信号采集装置的软图 4：信号处理电路图 5：RS422 通讯电路图 6：RS422 通讯电路电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering79件任务划分如下：（1）脉冲采集任务：采集被测信号的上升沿脉冲，并存储到数据缓冲区中；（2）定时器中断任务：定时器对数据进行处理；（3）显示任务：将被测信号的频率值进行实时显示；（4）RS422 通讯任务：将被测信号的频率值通过RS422 总线进行发送。3.2 程序设计3.2.1 频率采集计算程序设计以固定时间 T 为单位，统计每个单位内方波信号的个数 N，设定计数器从开始计数到停止计数的时间 T，在此时间内统计被测信号的周期个数 N，可以计算出被测信号频率为 f=N/T8。由于单片机上软件设置的计数周期为 50ms，因此为了保证读取数据的实时性，同时考虑软件运行时间及延时误差，频率采集的计算公式为：f=N*20/(n+1)Hz。3.2.2 显示程序设计本设计选用 OLED 显示器采用 SPI 总线与 CPU 进行通讯，OLED 显示器进行字符显示的步骤如下：步骤 1，设置单片机与 OLED 显示器相连接的 IO，并对通讯接口进行初始化；步骤 2，初始化 OLED 显示器，对 OLED 显示器相关寄存器的初始化，来启动OLED显示器；步骤3，通过数据写入函数将字符和数字显示到OLED显示器上。OLED 显示器所选用的控制器是 SSD1306，SSD1306的每页包含了 128 个字节，总共 8 页，这样刚好是 12864的点阵大小。在STM32的内部建立一个OLED的GRAM（共1288 个字节），在每次修改的时候，只是修改 STM32 上的 GRAM（实际上就是 SRAM），在修改完了之后，一次性把 STM32 上的 GRAM 写入到 OLED 的 GRAM。这样可以实现实时对 OLED 显示器上的数据进行实时显示。3.2.3 RS422 通讯程序设计RS422 程序通过 UART 串行通讯进行实现，主要步骤如下：（1）初始化端口、时钟，并对串口进行复位，当外设出现异常的时候可以通过复位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。（2）串口参数进行初始化，波特率，奇偶校验位的参数，本设计使用波特率为 9600bps，校验方式为奇校验。（3）对串口中断进行使能，使能串口中断。（4）对 MAX3491 的 控 制 引 脚 初 始 化，并 对MAX3491 的发送使能引脚进行使能。（5）STM32 的发送与接收是通过数据寄存器USART_DR 来实现的，这是一个双寄存器，包含了TDR 和 RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也是存在该寄存器内。调用数据发送函数将频率值写入到 USART_DR 寄存器中将数据进行发送。3.2.4 软件流程图根据程序的任务划分，频率信号采集装置的程序流程图见图 7。表 1：频率信号采集测试序号输入频率（Hz）采集频率（Hz）误差（%）1550210010003100010010.14220022030.135320031090.296420042030.0775300530008780078020.029860085930.0810980098200.2图 7：频率信号采集装置程序流程图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering80近年来，随着汽车电子技术的发展，汽车电子电气系统自动化、智能化1程度大幅提升，车载电子控制单元数量2也随之逐渐增加。但是整车系统智能、安全程度的提高，同样极大地增加了车辆电气网络架构的复杂程度：各车载电子控制单元之间工作状态高度关联，技术状态复杂，对日常维护及故障排查工作带来了极大的挑战。依靠传统经验分析方法进行分析已难以满足任务需求。在一些高性能、高可靠的应用场景下，为了方便特种车辆日常维护，以及系统联调时对异常工作状态进行分析，在车控 CAN 总线网络上都会设置数据记录仪单元3，用于对各车载电子控制单元工作过程4进行记录。本文实现了一种车载 CAN 总线数据记录仪，该记录仪具有如下特点：基于 DSP 和 FPGA 的车载 CAN 总线数据记录仪设计与实现倪云龙沈丹丹赵双领(中国电子科技集团公司第五十八研究所 江苏省无锡市 214072）摘要：本文为了能对车载电子控制单元进行快速故障定位，设计实现了一种 CAN 总线数据记录仪；该记录仪采用了 DSP+FPGA 处理器架构，在 FPGA 内部通过实例化 IP 核来实现多路 CAN 总线控制器，并实现了 eMMC、USB2.0等多种通讯协议；DSP 作为主处理器，调用 FPGA 实现的底层驱动接口，完成 CAN 总线数据接收、解析、存储功能。试验表明，该数据记录仪能够实时、准确地记录 CAN 总线上的数据，工作稳定可靠，读取数据便捷，具有较好的应用前景。关键词：数据记录仪；CAN 总线；DSP4 试验结果分析使用数字信号发生器、电源等设备对本文设计的频率信号采集装置进行测试验证，信号发生器在1Hz10kHz 频段选取 10 个测试点进行分析：见表 1，根据试验结果可知，本文设计的频率信号采集装置在 1Hz10kHz 频段的频率采集精度较高，可满足设计的 1%的精度要求。5 结束语本文的频率信号测量装置，被测信号经放大处理，并通过整形电路将信号转换成脉冲信号，通过单片机读取单位时间内的脉冲数，计算出被测信号的频率值。经验证，可满足频率采集精度 1%的要求（被测信号频率10kHz）。本设计具有结构简单、精度高等优点，能够在不同处理器平台间进行移植，极大满足了多种场景的应用。参考文献1 祁丽婉,吉彦平,石玉军,张杭.基于 DSP 的电力谐波分析方法 J.信息通信,2017(09):1-3.2 吕新,张博,刘志坚,王瑞,阚京波.STM32 的频率采集方法在实时操作系统的应用 J.电子技术与软件工程,2021(21):36-38.3 王晓勇,吕俊,王俊.基于 DSP+FPGA 的飞机轮速测量系统设计J.电子测量技术,2014,37(07):62-65.4 吴晓娜.基于 VxWorks 的配电终端频率采集方法研究 J.电子世界,2018(09):38-39.DOI:10.193535 樊芊.STM32 中基于 DMA 的频率信号采集 J.信息通信,2019(03):143-145.6 张玉杰,高深圳.基于 DMX512 协议的无线通信照明控制系统设计 J.单片机与嵌入式系统应用,2018,18(11):26-28+32.7 任克强,王传强.基于 STC8F1K08S2 的串口驱动 OLED显示系统设计 J.电子器件,2022,45(01):40-44.8 张弛.非连续模拟差分信号频率与相位采集方法研究 J.航空计算技术,2018,48(05):233-235.作者简介赵兀君，硕士研究生。研究方向为现代电力电子技术。高深圳，男，硕士研究生。研究方向为控制工程、嵌入式开发，主要从事嵌入式软件、硬件开发工作。