1 引 言

    多周期測量法是一種非常靈活的頻率測量方法，通過調整被測信號的周期個數(shù)可以在測量和測量時間二者之間做出的選擇，對于用普通的測頻法（在頻率、速度等脈沖類測量過程中，在指定的時間內，計量脈沖個數(shù)，讓脈沖個數(shù)與指定的時間比較來測定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定時采樣。這種方法其實是測量單位時間的脈沖個數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法）和測周法（在頻率、速度等脈沖類測量過程中，采集指定的脈沖個數(shù)，與過程時間比較來測定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定數(shù)采樣或定脈沖采樣。這種方法其實是測量單個脈沖的周期或指定個數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法）難以保證測量的非等周期信號，如氣壓 傳感器的輸出信號，而多周期測量法則是選擇。另外，通過提高基準頻率和選用大容量計數(shù)器等措施 還可以進一步提高系統(tǒng)的測量，這種測量方法可用于高頻率測量系統(tǒng)的設計中。

　　2 信號采集要求

　　在研制基于GPRS的自動氣象站中，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵諧振筒式壓力傳感器。該傳感器輸出為周期C（或頻率f）與氣壓相關的TTL電平（TTL電平信號被利用的多是因為通常數(shù)據(jù)表示采用二進制規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)，這是計算機處理器控制的設備內部各部分之間通信的標準技術）的矩形波信號（下稱原始信號）和一個與環(huán)境溫度呈線 性關系的0～5V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應，單值連續(xù)，振動筒諧振頻率的變化反應了氣壓的變化。

　　國家氣象局對氣壓遙測的要求，測量范圍為50～110kPa，采集的分辨率為0.01kPa，準確度為±0.03kPa，采集速率為6次／min（1min共取6個樣本值，取中間大小的4個值的等權算術平均值）。根據(jù)周期C（或頻率f）對氣壓的靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率，根據(jù)周期C（或頻率f）對溫度的交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率。通過數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達0.01kPa，這就要求周期測量分辨率為0.002 6362μs，頻率測量的分辨率為0.068 645Hz，對溫度電壓的分辨率為43mV。

　　3 測量頻率和周期的基本方法

　　電子計數(shù)器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法，如圖1所示。

　　（1）在測量頻率時，被測信號加在A端，B端加門控信號，其信號寬度TB即是采樣時間，被測信號頻率為 ：

　　N為閘門時間TB內的脈沖數(shù)。測量的誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，后部分則是因為標準信號誤差引起。若滿足0.068 645Hz分辨率的要求，門控信號寬度TB（采樣時間）要超過15s。按照這種方法，不能達到國家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次／min。

　　（2）測量信號周期時，標準信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發(fā)，其信號寬度TB為被測信號的周期，被測信號周期C為：

　　其中，N為被測時間內對周期為τ的標準信號計數(shù)個數(shù)，測量的誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起的。若滿足0.002 636 2μs分辨率的要求， 時標信號的頻率要高于379.33MHz，實現(xiàn)難度很大，用微控制器直接測量時是不能完成的。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應用已經(jīng)無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器／掃描器、消費類電子、游戲設備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電（洗衣機、微波爐）等。

　　4 多周期測周法

　　對信號M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門控信號對時標信號計數(shù)（如圖2所示）。

　　誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起的。從式子中我們可以看出，被測信號周期擴展M倍后，對時標信號的頻率要求并不是很高，電路很容易就可以實現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測量的1／M；為了減小標準信號帶來的誤差，要求時標信號具有較高的。

　　觸發(fā)誤差的抑制傳感器輸出的信號為矩形波信號由原始振蕩信號經(jīng)整形得到，信號中疊加的噪聲在整形時會使矩形波信號的觸發(fā)沿提前或滯后。多周期測周時使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消。M個周期的累計觸發(fā)誤差只相當于單個周期的觸發(fā)誤差。

　　5 信號測量單片機控制電路的實現(xiàn)

　　圖3為多周期測周的原理圖，其是P89LPC935。

　　P89LPC935是一款低成本單片封裝微控制器。P89LPC935基于高性能的處理架構，執(zhí)行指令僅需2到4個時鐘周期，速度是標準80C51器件的6倍。P89LPC935集成了多種系統(tǒng)級功能，以便極大減少元件數(shù)目和減小電路板面積，從而降低系統(tǒng)成本。

　　P89LPC935參數(shù)如下所示：

　　原始信號接到分頻電路CD4020的時鐘輸入端，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的／INT1端，作為門控信號控制P89LPC935內部的定時計數(shù)器1。定時計數(shù)器1工作在定時方式，在門控信號為高電平時計數(shù)。時鐘為PCLK，為外接晶振11.059 2MHz的2分頻（6倍于標準80C51器件），即5.529 6MHz。

　　如圖4所示，原始信號周期C在200μs左右，256分頻后的門控信號周期在51 200μs左右（256C），一個周期中高電平部分約為25600μs（高電平部分128C），在高電平時對5.5296MHz計數(shù)，其計數(shù)值約為141500 ，超過16位計數(shù)器的長度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷。開辟1個內部RAM，在中斷服務子程序中進行加l操作，即可滿足計數(shù)字長要求。計數(shù)過程如下：

　　S1：首先判斷／INT1是否為高電平，該過程時間長為256C；

　　S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，則將計數(shù)器清零，允許計數(shù)，允許計數(shù)器溢出中斷，該過程時間為 128C；

　　S3：／INT1為高電平時計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器溢出時產(chǎn)生中斷，中斷服務子程序中高位加1，該過程時間為 128C；

　　S4：后續(xù)處理，包括頻率計算、溫度采集及其他運算。該過程時間則要小于128C。

　　整個計數(shù)以及處理過程的總時間要小于640C，在128ms以內，遠小于10s。原始信號的周期C及測量誤差如下計算。原始信號的周期為C，計數(shù)值為N，計算公式為：

　　其中，M=128；τ=（1／5.529 6）μs；128C=（N／5.5296）μs，C=N×0.001 4μs。

　　其測量誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，為0.001 4μs；后部分是因為標準信號誤差（即晶振的誤差）引起的。在整個測量范圍內，C值為211.787 9μs，選取準確度優(yōu)于5ppm的晶振，該項誤差值為：211.787 9μs× 5ppm=0.001 1μs；兩者的和加起來小于0.002 636 2μs，則滿足要求。

　　上述的分析計算是兩者相加，有一定的冗余。如果進一步提高M值，將進一步的減小量化誤差。

　　用該方法測量周期的前提條件是選取準確度優(yōu)于5ppm的晶振，測量周期的誤差可控制在0.001 1μs。

　　將溫度信號直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10（P0.1）引腳，進行A／D轉換。A／D轉換時間為μs 量級，遠遠小于要求的采樣周期10s，在溫度采集時，有足夠的時間對A／D轉換數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，其具體方法為：每次采集進行18次A／D轉換，去掉一個值和值，取其余16個數(shù)據(jù)算術平均值作為終結 果。

　　溫度信號采集的準確度為20mV，優(yōu)于43mV的要求。

　　6 結 語

　　這個測量方法成功地應用在與河南省氣象局合作開發(fā)的自動氣象站中。用多周期測量的方法快速準確測量信號的頻率（周期）基于2個條件：信號是連續(xù)的；P89LPC935的晶振必須使用外接的高、高穩(wěn)定晶體振蕩器（準確度優(yōu)于5 ppm）。

參考文獻:

[1]. GPRS datasheet http://hbjingang.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. TTL datasheet http://hbjingang.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. P89LPC935 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/P89LPC935_538805.html.
[4]. 80C51 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/80C51_103447.html.
[5]. 640C datasheet http://hbjingang.com/datasheet/640C_1806165.html.