CN108872702A - 自适应周期的频率测量***与方法 - Google Patents

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Abstract

一种自适应周期的频率测量***与方法，包括频率测量接口、滤波与整形模块、信号测量模块、高稳温补晶振以及通信模块与接口。其中，频率测量接口用于输入被测信号；滤波与整形模块用于滤除测量范围外的干扰信号，并将滤除后的信号转化为方波信号；信号测量模块，用于捕获方波信号的信号边沿，进行脉冲计数和频率计算，采样信号周期数根据被测信号频率进行动态适应调节；以及通信模块与接口，用于传输频率数据。本发明的自适应周期的频率测量***采用多周期同步频率测量方法对待测信号进行采样测量，采样信号周期数根据信号频率进行动态适应调节，在保证测量精度与响应速度的同时拓展***测频范围。

Description

自适应周期的频率测量***与方法
技术领域
本发明属于传感器仪表技术与测控领域技术领域，具体涉及一种自适应周期的频率测量***与方法。
背景技术
航空领域对数据采集的速率和精度要求均较高。如，航空用谐振式压力传感器频率采集速率要求50次/秒，传感器频率测量精度优于±0.1Hz。由于谐振式压力传感器工作原理的特殊性，其输出频率直接表征压力示值，因而具有相对较宽的频率变化范围，通常居于40～150kHz频率范围。因此需要在较宽的频率范围和较短采样时间要求下，实现高精度频率测量的方法。
传统的测频方法包括测周法和计数法两种。测周法适用于低频段信号，频率越低，测量相对精度越高，但响应速度慢；计数法适用于高频段，频率越高，测量相对精度越高。为兼顾测量精度与响应速度的问题，发展出了多周期同步测频法。它是在指定信号周期内同时对待测信号和标准信号进行计数，根据待测信号和标准信号的计数值求解被测信号频率的方法。通常情况下，多周期同步测频法采用固定的周期值对待测信号进行测量，因而不同频率信号将占用不同采样时间，导致其测量误差与频率信号本身相关。此外在数字信号处理过程中的一个主要误差来源是数字信号的计数误差。为减小测量误差，通常需要延长采样时间，实现计数误差的平均效果，从而导致其测量响应速度变慢。文献表明，在相对精度为10-6条件下，对应的采样时间为0.1s。因此，为同时保证响应速度和测频精度还需要新的测试方法与技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自适应周期的频率测量***与方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一个方面，提供一种自适应周期的频率测量***，包括：频率测量接口，用于输入被测信号，且能够避免被测信号接入时对被测信号产生影响；滤波与整形模块，用于滤除从所述频率测量接口输入的信号中频率测量范围外的干扰信号，并将滤除后的信号转化为方波信号；信号测量模块，用于捕获经过所述滤波与整形模块转化的方波信号的信号边沿，进行脉冲计数和频率计算，所述信号测量模块具备捕获信号边沿同时锁存计数器寄存器的功能，采样信号周期数根据被测信号频率进行动态适应调节；高稳温补晶振，用于提供精准脉冲信号，供信号测量模块进行脉冲计数，作为频率测量的时间源；以及通信模块与接口，用于传输所述信号测量模块测量出的频率数据，实现所述频率测量***与用户的交互。
优选地，所述频率测量接口为高阻态输入接口。
优选地，所述信号测量模块为MCU模块或FPGA模块。
优选地，所述MCU模块为支持输入捕获定时器配置的系列产品。
优选地，所述高稳温补晶振的频率值不超过所述MCU模块所支持的最大频率，以满足所支持最大频率为宜；其温度范围为涵盖所述测量***使用温度的范围；其频率稳定度应至少2倍于频率测量***的相对准确度；其输出信号为方波信号，且为MCU模块所支持的逻辑电平。
作为本发明的另一个方面，提供一种自适应周期的频率测量方法，包括以下步骤：(1)待测信号经频率测量接口，接入测量***；(2)滤波与整形模块将待测信号转换为方波信号；(3)给定初始采样周期数n，信号测量模块完成n个信号采样，并计算输入信号频率fc，根据采样时间上限t，计算下次采样周期数nnew为，nnew＝[t·fc]，其中，[]为取整运算；(4)频率测量完成后，频率测量数据传输给通信模块。
优选地，所述信号测量模块的运行程序包括主程序和中断服务函数程序，所述主程序进行***配置，配置信号周期采集次数n，并使定时器开始计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，主程序循环查询状态标识flag，等待频率测量完成状态flag＝1；所述服务函数程序进行捕获计数和计数器溢出计数，并读取定时器锁存值；当第一次捕获被测信号上升沿或下降沿后，捕获计数n＝1，定时器锁存计数器时钟脉冲计数值ta；每当捕获被测信号上升沿或下降沿，捕获计数n累计加1；当捕获计数到达设定值(N+1)后，读取定时器锁存计数器时钟脉冲计数值tb，并并使定时器停止计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，并标志状态完成flag＝1；主程序检测到完成状态标识，则进行频率计算，完成一次测量。
优选地，待测信号频率fc的计算方法为：fc＝N/(tb-ta)·f0其中，f0为测试***的时钟频率。
从上述技术方案可以看出，本发明的自适应周期的频率测量***与方法具有以下有益效果：
(1)周期参数调整方式简单，无需复杂运算；
(2)基于定时器输入捕获进行频率测量的方式减少了指令时间，提高了测量精度；
(3)可实现快速高精度的频率测量，响应时间短，测量精度仍较高；
(4)拓展频率测量范围，测量误差与频率的相关性明显减小。
附图说明
图1为本发明实施例中自适应周期的频率测量***框图；
图2为本发明实施例中自适应周期的频率测量方法示意图；
图3为本发明实施例中自适应周期的频率测量方法中软件设计流程；
图4为本发明实施例中采用固定周期采样与自适应周期采样结果对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种自适应周期的频率测量***与方法，包括频率测量接口、滤波与整形模块、信号测量模块、高稳温补晶振以及通信模块与接口。其中，频率测量接口用于输入被测信号；滤波与整形模块用于滤除频率测量范围以外的干扰信号，并将滤除后的信号转化为方波信号；信号测量模块，用于捕获方波信号的信号边沿，进行脉冲计数和频率计算，信号测量模块具备捕获信号边沿同时锁存计数器寄存器的功能，采样信号周期数根据被测信号频率进行动态适应调节；高稳温补晶振，提供精准脉冲信号，供信号测量模块进行脉冲计数，作为频率测量的时间源；以及通信模块与接口，用于传输频率数据。本发明的自适应周期的频率测量***采用多周期同步频率测量方法对待测信号进行采样测量，采样信号周期数根据信号频率进行动态适应调节，在保证测量精度与响应速度的同时拓展***测频范围。
具体地，作为本发明的一个方面，提供一种自适应周期的频率测量***，包括：频率测量接口，用于输入被测信号，且能够避免被测信号接入时对被测信号产生影响；滤波与整形模块，用于滤除从所述频率测量接口输入的信号中频率测量范围外的干扰信号，并将滤除后的信号转化为方波信号；信号测量模块，用于捕获经过所述滤波与整形模块转化的方波信号的信号边沿，进行脉冲计数和频率计算，所述信号测量模块具备捕获信号边沿同时锁存计数器寄存器的功能，采样信号周期数根据被测信号频率进行动态适应调节；高稳温补晶振，用于提供精准脉冲信号，供信号测量模块进行脉冲计数，作为频率测量的时间源；以及通信模块与接口，用于传输所述信号测量模块测量出的频率数据，实现所述频率测量***与用户的交互。
所述频率测量接口为高阻态输入接口。
所述信号测量模块为MCU模块或FPGA模块。
所述MCU模块为支持输入捕获定时器配置的系列产品。
所述高稳温补晶振的频率值以满足所MCU支持最大频率为宜；其温度范围为涵盖所述测量***使用温度的范围；其频率稳定度应至少2倍于频率测量***的相对准确度；其输出信号为方波信号，且为MCU模块所支持的逻辑电平。作为本发明的另一个方面，提供一种自适应周期的频率测量方法，包括以下步骤：(1)待测信号经频率测量接口，接入测量***；(2)滤波与整形模块将待测信号转换为方波信号；(3)给定初始采样周期数n，信号测量模块完成n个信号采样，并计算输入信号频率fc，根据采样时间上限t，计算下次采样周期数nnew为，nnew＝[t·fc]，其中，[]为取整运算；(4)频率测量完成后，频率测量数据传输给通信模块。
所述信号测量模块的运行程序包括主程序和中断服务函数程序，所述主程序进行***配置，配置信号周期采集次数n，并使定时器开始计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，主程序循环查询状态标识flag，等待频率测量完成状态flag＝1；所述服务函数程序进行捕获计数和计数器溢出计数，并读取定时器锁存值；当第一次捕获被测信号上升沿或下降沿后，捕获计数n＝1，定时器锁存计数器时钟脉冲计数值ta；每当捕获被测信号上升沿或下降沿，捕获计数n累计加1；当捕获计数到达设定值(N+1)后，读取定时器锁存计数器时钟脉冲计数值tb，并使定时器停止计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，并标志状态完成flag＝1；主程序检测到完成状态标识，则进行频率计算，完成一次测量。
待测信号频率fc的计算方法为：fc＝N/(tb-ta)·f0，其中，f0为测试***的时钟频率。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的自适应周期的频率测量***与方法作进一步的详细说明。
实施例
图1为自适应周期的频率测量***框图。如图1所示。自适应周期的频率测量***框图***包括频率测量接口、滤波与整形模块、MCU模块、高稳温补晶振、以及通信模块与接口。其中，滤波与整形模块用于滤波除测量范围以外的干扰信号并将其转化为方波信号；MCU为支持输入捕获定时器配置的系列产品，如STM32等。该系列MCU具备捕获信号边沿同时锁存计数器寄存器功能，可减少MCU指令操作，提升计时的同步性能。所用高稳温补晶振为24MHz±0.5ppm，温度范围为-40℃～+85℃，输出COMS电平的方波信号。
图2为自适应周期的频率测量方法示意图。如图2所示。MCU使能定时器，定时器开始进行时钟信号计数。当MCU捕获到待测信号的上升沿，则记录当前计数器值ta；当检测到第(N+1)个频率信号上升沿，则记录计数器值tb，此后控制信号关闭时钟计数器。假定标准时钟频率f0，则认为N个信号周期所占时间Tc为：
Tc＝(tb-ta)/f0 (1)
事实上，上述测量过程中存在的误差是当第一个上升沿和最后一个上升沿定时器锁存的计数偏差为1个标准时钟信号，因此所用标准时钟的频率越高，其时间测量误差越小，测量结果越准确。在此条件下，待测信号测量频率fc为：
fc＝N/(tb-ta)·f0 (2)
频率测量相对误差ζ为：
ζ＝1/(tb-ta) (3)
因此，为提高测量精度，应尽可能保证足够的测量时间。但当频率测量范围较宽时，固定周期数捕获方法将导致测量上限频率的测量时间变短，进而引入较大的测量误差。为弥补其不足，本发明采用一种自适应周期数的测量方法。即为，在给定初始采样周期数n后，MCU完成n个信号采样，并计算待测信号频率fc。根据采样时间上限t，则可计算下次采样周期数nnew为，
nnew＝[t·fc] (4)
其中，[]表示取整数运算。该方法可依频率的变化自动适应，在不超过采样时限的前提下，实现周期数最大化的测量。
图3为自适应周期的频率测量方法中软件设计流程。如图3所示，程序设计包括主程序和中断服务函数程序，主程序进行***配置，配置信号周期采集次数，并使能定时器。此后，主程序循环查询状态标识，等待频率测量完成状态。服务函数进行捕获计数和计数器溢出计数，并读取定时器锁存值。当捕获计数到达(N+1)后，则失能定时器，并标志状态完成。主程序检测到完成状态标识，则进行频率计算，并发送频率，完成一次测量。下次测量将根据当前频率值自动更新下次采集次数，实现最大时长采样。
图4为固定周期采样与自适应周期采样结果对比。如图4所示，采样时限t＝20ms，采用固定周期1000进行采样测试，对于50kHz频率从信号，两种方法的测量误差相同；对于200kHz频率信号，固定周期采样测量偏差达0.25Hz以上，而采用自适应频率采样测量偏差小于0.1Hz。因此，本发明可明显提升测量精度和拓展测量范围。
综上所述，本发明的自适应周期的频率测量***采用多周期同步频率测量方法对待测信号进行采样测量，采样信号周期数根据信号频率进行动态适应调节，在保证测量精度与响应速度的同时拓展***测频范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自适应周期的频率测量***，其特征在于，包括：
频率测量接口，用于输入被测信号，且能够避免被测信号接入时对被测信号产生影响；
滤波与整形模块，用于滤除从所述频率测量接口输入的信号中频率测量范围外的干扰信号，并将滤除后的信号转化为方波信号；
信号测量模块，用于捕获经过所述滤波与整形模块转化的方波信号的信号边沿，进行脉冲计数和频率计算，所述信号测量模块具备捕获信号边沿的同时锁存计数器寄存器的功能，采样信号周期数根据被测信号频率进行动态适应调节；
高稳温补晶振，用于提供精准脉冲信号，供信号测量模块进行脉冲计数，作为频率测量的时间源；以及
通信模块与接口，用于传输所述信号测量模块测量出的频率数据，实现所述频率测量***与用户的交互。
2.根据权利要求1所述的自适应周期的频率测量***，其特征在于，
所述频率测量接口为高阻态输入接口。
3.根据权利要求1所述的自适应周期的频率测量***，其特征在于，
所述信号测量模块为MCU模块或FPGA模块。
4.根据权利要求1所述的自适应周期的频率测量***，其特征在于，
所述MCU模块为支持输入捕获定时器配置的系列产品。
5.根据权利要求1所述的自适应周期的频率测量***，其特征在于，
所述高稳温补晶振的频率值为不超过所述MCU模块支持的最大频率值，且以MCU模块支持最大频率为宜；其温度范围为涵盖所述测量***使用温度的范围；其频率稳定度应至少2倍于频率测量***的相对准确度；其输出信号为方波信号，且为MCU模块所支持的逻辑电平。
6.一种自适应周期的频率测量方法，采用权利要求1～4中任一项所述的自适应周期的频率测量***，其特征在于，包括以下步骤：
(1)待测信号经频率测量接口，接入测量***；
(2)滤波与整形模块将待测信号转换为方波信号；
(3)给定初始采样周期数n，信号测量模块完成n个信号采样，并计算待测信号频率fc，根据采样时间上限t，计算下次采样周期数nnew为，
nnew＝[t·fc]，其中，[]为取整运算；
(4)频率测量完成后，频率测量数据传输给通信模块。
7.根据权利要求6所述的自适应周期的频率测量方法，其特征在于，
所述信号测量模块的运行程序包括主程序和中断服务函数程序，
所述主程序进行***配置，配置信号周期采集次数n，并使定时器开始计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，主程序循环查询状态标识flag，等待频率测量完成状态flag＝1；
所述服务函数程序进行捕获计数和计数器溢出计数，并读取定时器锁存值；当第一次捕获被测信号上升沿或下降沿后，捕获计数n＝1，定时器锁存计数器时钟脉冲计数值ta；每当捕获被测信号上升沿或下降沿，捕获计数n累计加1；当捕获计数到达设定值(N+1)后，读取定时器锁存计数器时钟脉冲计数值tb，并使定时器停止计数器时钟脉冲计数与边沿捕获，并标志状态完成flag＝1；
主程序检测到完成状态标识，则进行频率计算，完成一次测量。
8.根据权利要求6所述的自适应周期的频率测量方法，其特征在于，待测信号频率fc的计算方法为：
fc＝N/(tb-ta)·f0；
其中，f0为测试***的时钟频率。
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