一种多周期测量频率的方法及应用
摘 要：利用多周期测量方法，通过对信号进行分频准确测量出气压传感器输出信号的周期和频率。利用P89LPC935内部的A/D转换器测量环境温度进行温度补偿，选取准确度优于5 ppm的晶振，测量周期的误差最小可控制在0.001 1 μs。该测量方法成功地应用于与河南省气象局合作开发的自动气象站中。用多周期测量的方法快速准确测量信号的频率（周期）基于2个条件：信号是连续的；单片机的晶振必须使用外接的高精度、高稳定晶体振荡器。
关键词：频率测量；多周期测量法；测量误差；A/D转换器
Method and Appication of Multi-period Frequency Measurement
LI Guangming,YANG Lei
(Dongguan University of Technology,Dongguan,523808,China
Abstract： To measure frequency of the atmospheric pressure by using the electrically-induced resonator pressure transducer,multi-period measurement method is employed,which obtains accurate results by dividing signal frequency.Accurate atmospheric pressure is obtained via temperature compensation with the environmental temperature acquired from the ADC on P89LPC935.The prerequisite for using this period measuring method is choosing a crystal oscillator with its accuracy better than 5 ppm.Thereby the minimum measuring error can be controlled within 0.001 1 μs.The presented measuring method is successfully used in the automatic weather station developed through our cooperation with Henan Weather Bureau.The two important conditions for using the multi-period measurement method to measure a signal period (frequency accurately and fast are: the signal has highly-stable frequency and is a continuous signal;the crystal oscillator of the single chip is an external highly-accurate and highly-stable crystal oscillator.
eywords：frequency measurement;multi-period measurement method;measuring error;A/D converter
1 引 言
多周期测量法是一种很灵活的频率测量方法，通过调整被测信号的周期个数可以在测量精度和测量时间二者之间做出最佳选择，对于用普通的测频法和测周法难以保证测量精度的非等周期信号，如气压传感器的输出信号，多周期测量法是最佳选择。 另外，通过提高基准频率和选用大容量计数器等措施还可以进一步提高系统的测量精度，这种测量方法可用于高精度频率测量系统的设计中。
2 信号采集要求
在研制基于GPRS的自动气象站中，气压采集系统采用电激励谐振筒式压力传感器。该传感器输出为周期C（或频率f）与气压相关的TTL电平的矩形波信号(下称原始信号和一个与环境温度呈线性关系的0~5 V的模拟电压信号。输出信号频率与气压P一一对应，单值连续，振动筒谐振频率的变化反应了气压的变化。
国家气象局对气压遥测的要求［1］，测量范围为50~110 kPa，采集的分辨率为0.01 kPa，准确度为±0.03 kPa，采集速率为6次／min（1 min共取6个样本值，取中间大小的4个值的等权算术平均值）。根据周期C（或频率f）对气压的最低灵敏度来确定周期及频率测量的分辨率，根据周期C（或频率f）对温度的最高交叉灵敏度决定对温度电压的分辨率。通过数据分析，欲使气压系统分辨率达0.01 kPa，这就要求周期测量分辨率为0.002 636 2 μs，频率测量的分辨率为0.068 645 Hz，对温度电压的分辨率为43 mV。
3 测量频率和周期的基本方法
电子计数器测量信号频率和周期的基本原理是门控法［2,3］，如图1所示。
（1） 在测量频率时，被测信号加在A端，B端加门控信号，其信号宽度TB即是采样时间，被测信号频率为：
5 信号测量单片机控制电路的实现
图3为多周期测周的原理图，其核心是P89LPC935。
P89LPC935是PHILIPS公司LPC900系列单片封装的微控制器，采用了高性能的处理器结构（与51系列兼容），速度6 倍于标准80C51器件，除51系列单片机资源外还具有8 kB FLASH程序存储器，512片内用户数据E2PROM存储区，2个4 路输入的8 位A/D 转换器和2个DAC，I2C，SPI 总线、片内看门狗和复位电路、捕获/比较单元（CCU）等资源。
原始信号（传感器输出的与气压有关的矩形波信号）接到分频电路CD4020的时钟输入端，经256分频后接到P89LPC935的／INT1端，作为门控信号控制P89LPC935内部的定时计数器1。定时计数器1工作在定时方式，在门控信号为高电平时计数。时钟为PCL，为外接晶振11.059 2 MHz的2分频（6 倍于标准80C51器件），即5.529 6 MHz。
如图4所示，原始信号周期C在200 μs左右，256分频后的门控信号周期在51 200 μs左右（256C），一个周期中高电平部分约为25 600 μs（高电平部分128 C），在高电平时对5.529 6 MHz计数，其计数值约为141 500，超过16位计数器的长度，将产生溢出并产生中断。开辟1个内部RAM，在中断服务子程序中进行加1操作，即可满足计数字长要求。计数过程如下：
S1：首先判断／INT1是否为高电平，该过程时间最长256C；
S2：判断／INT1是否为低电平，若是，计数器清零，允许计数，允许计数器溢出中断，该过程时间128C；
S3：／INT1为高电平时计数器计数，计数器溢出时产生中断，中断服务子程序中高位加1，该过程时间128C；S4：后续处理，包括频率计算、温度采集及其他运算。该过程时间小于128C。
整个计数及处理过程时间小于640 C，在128 ms以内，远小于10 s。原始信号的周期C及测量误差如下计算。
6 结 语
该测量方法成功地应用于与河南省气象局合作开发的自动气象站中。用多周期测周的方法快速准确测量信号的频率（周期）基于2个条件：信号是连续的；P89LPC935的晶振必须使用外接的高精度、高稳定晶体振荡器（准确度优于5 ppm）。
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