单片机频率测量原理

单片机频率测量原理

A VR单片机 2008-10-09 19:29 阅读721 评论0

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单片机应用系统中，经常要对一个连续的脉冲波频率进行测量。在实际应用中，对于转速，位移、速度、流量等物理量的测量，一般也是由传感器转换成脉冲电信号，采用测量频率的手段实现。

使用单片机测量频率或周期，通常是利用单片机的定时计数器来完成的，测量的基本方法和原理有两种：

测频法：在限定的时间内（如1秒钟）检测脉冲的个数。

测周法：测试限定的脉冲个数之间的时间。

这两种方法尽管原理是相同的，但在实际使用时，需要根据待测频率的范围、系统的时钟周期、计数器的长度、以及所要求的测量精度等因素进行全面和具体的考虑，寻找和设计出适合具体要求的测量方法。

在具体频率的测量中，需要考虑和注意的因素有以下几点。

ü系统的时钟。首先测量频率的系统时钟本身精度要高，因为不管是限定测量时间还是测量限定脉冲个数的周期，其基本的时间基准是系统本身时钟产生的。其次是系统时钟的频率值，因为系统时钟频率越高，能够实现频率测量的精度也越高。因此使用A VR测量频率时，建议使用由外部晶体组成的系统的振荡电路，不使用其内部的RC振荡源，同时尽量使用频率比较高的系统时钟。

ü所使用定时计数器的位数。测量频率要使用定时计数器，定时计数器的位数越长，可以产生的限定时间越长，或在限定时间里记录的脉冲个数越多，因此也提高了频率测量的精度。所以对频率测量精度有一定要求时，尽量采用16位的定时计数器。

ü被测频率的范围。频率测量需要根据被测频率的范围选择测量的方式。当被测频率的范围比较低时，最好采用测周期的方法测量频率。而被测频率比较高时，使用测频法比较合适。需要注意的是，被测频率的最高值一般不能超过测频MCU系统时钟频率的1/2，因为当被测频率高于MCU时钟1/2后，MCU往往不能正确检测被测脉冲的电平变化了。

除了以上三个因素外，还要考虑频率测量的频度（每秒内测量的次数），如何与系统中其它任务处理之间的协调工作等。频率测量精度要求高时，还应该考虑其它中断以及中断响应时间的影响，甚至需要在软件中考虑采用多次测量取平均的算法等。

采用测频法的频率计设计与实现

1）硬件电路

硬件电路的显示部分，PA口为8个LED数码管的段输出，PC口控制8个LED数码管的位扫描。使用T/C0对被测信号输入的脉冲个数进行计数，被测频率信号由PB0（T0）输入。2）软件设计

我们首先给出系统程序，然后做必要的说明。

/*********************************************

File name : demo_11_1.c

Chip type : ATmega16

Program type : Application

Clock frequency : 4.000000 MHz

Memory model : Small

External SRAM size : 0

Data Stack size : 256

*********************************************/

#include

flash char led_7[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F}; flash char position[8]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

char dis_buff[8]; // 显示缓冲区，存放要显示的8个字符的段码值char posit;

bit time_1ms_ok,display_ok=0;

char time0_old,time0_new,freq_time;

unsigned int freq;

void display(void) // 8位LED数码管动态扫描函数

{

PORTC = 0xff;

PORTA = led_7[dis_buff[posit]];

if (posit==5) PORTA = PORTA | 0x80;

PORTC = position[posit];

if (++posit >=8 ) posit = 0;

}

// Timer 2 output compare interrupt service routine

interrupt [TIM2_COMP] void timer2_comp_isr(void)

{

time0_new = TCNT0; // 1ms到，记录当前T/C0的计数值

time_1ms_ok = 1;

display_ok = ~display_ok;

if (display_ok) display();

}

void freq_to_disbuff(void) // 将频率值转化为BCD码并送入显示缓冲区{

char i,j=7;

for (i=0;i<=4;i++)

{

dis_buff[j-i] = freq % 10;

freq = freq / 10;

}

dis_buff[2] = freq;

}

void main(void)

{

char i;

DDRA=0xFF; // LED数码管驱动

DDRC=0xFF;

// T/C0初始化，外部计数方式

TCCR0=0x06; // 外部T0脚下降沿触发计数，普通模式

TCNT0=0x00;

OCR0=0x00;

// T/C2初始化

TCCR2=0x0B; // 内部时钟，32分频（4M/32=125KHz），CTC模式

TCNT2=0x00;

OCR2=0x7C; // OCR2 = 0x7C(124),(124+1)/125=1ms

TIMSK=0x80; // 允许T/C2比较匹配中断

for (i=0;i<=7;i++) dis_buff[i] = 0;

time0_old = 0;

#asm("sei") // 开放全局中断

while (1)

{

if (time_1ms_ok)

{ // 累计T/C0的计数值

if (time0_new >= time0_old) freq = freq + (time0_new - time0_old);

else freq = freq + (256 - time0_old + time0_new);

time0_old = time0_new;

if (++freq_time >= 100)

{

freq_time = 0; // 100ms到，

freq_to_disbuff(); // 将100ms内的脉冲计数值送显示

freq = 0;

}

time_1ms_ok = 0;

}

};

}

程序中LED扫描形式函数desplay()，以及脉冲计数值转换成BCD码并送显示缓冲区函数freq_to_disbuff()比较简单，请读者自己分析。

在该程序中，使用了两个定时计数器。T/C0工作在计数器方式，对外部T0引脚输入的脉冲信号计数（下降沿触发）。T/C2工作在CTC方式，每隔1ms中断一次，该定时时间即作为LED的显示扫描，同时也是限定时间的基时。每一次T/C2的中断中，都首先记录下T/C0寄存器TCNT0当前的计数值，因此前后两次TCNT0的差值(time0_new – time0_old)或(256 -

time0_old + time0_new)就是1ms时间内T0脚输入的脉冲个数。为了提高测量精度，程序对100个1ms的脉冲个数进行了累计（在变量freq中），即已知限定的时间为100ms。

读者还应该注意频率的连续测量与LED扫描、BCD码转换之间的协调问题。T/C2中断间隔为1ms，因此在1ms时间内，程序必须将脉冲个数进行的累计、BCD码转换和送入显示缓冲区，以及LED的扫描工作完成掉，否则就会影响到下一次中断到来后的处理。

在本实例的T/C2中断中，使用了display_ok标志，将LED扫描分配在奇数ms（1、3、5、7、……），而将1ms的TCNT0差值计算、累积和转换等处理放在主程序中完成。另外由于计算量大的BCD码转换是在偶数ms（100ms）处理，所以程序中LED的扫描处理和BCD 码转换处理不会同时进行（不会在两次中断间隔的1ms内同时处理LED扫描和BCD码转换），这就保证了在下一次中断到达时，前一次的处理已经全部完成，使频率的连续测量不受影响。

该实例程序的性能和指标为（假定系统时钟没有误差= 4MHz）：

ü频率测量绝对误差：±10Hz。由于限定的时间为100ms，而且T/C0的计数值有±1的误差，换算成频率为±10Hz。

ü被测最高频率值：255KHz。由于T/C0的长度8位，所以在1ms中，TO输入的脉冲个数应小于255个，大于255后造成T/C0的自动清另，丢失脉冲个数。

ü测量频度：10次/秒。限定的时间为100ms，连续测量，所以为10次/秒。

ü使用资源：两个定时器，一个中断。