一種基于MSP430單片機的交流頻率檢測系統

1 引言

由于頻率信號具有抗干擾性強、易于傳輸、測量準確度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此許多非頻率量的傳感信號都轉換為頻率量來(lái)進(jìn)行測量和處理。因此頻率測量方法愈來(lái)愈引起關(guān)注和研究。

頻率測量是測量和控制系統領(lǐng)域的最基本測量之一。當今用的最多的測量信號頻率的儀器是頻率計，由于頻率計在測量過(guò)程中需要一個(gè)時(shí)基信號作為測量信號頻率的時(shí)基。時(shí)基信號一般是由本機振蕩電路發(fā)生的，盡管現在多用石英晶體振蕩器，但是仍然不能保證時(shí)基信號的精度,因此頻率計的測量精度也就成了問(wèn)題。傳統的頻率測量方法有兩種^[1]：一種是測頻法,在一定時(shí)間間隔T內測出待測信號重復變化次數N，頻率即為 ；另一種方法是測周法,在被測信號的一個(gè)周期內測出標準高頻信號f的個(gè)數N，則被測頻率 。

本文介紹了一種測寬法^[2]，借助光電耦合原理，將交流信號轉變成周期脈沖信號，通過(guò)捕獲脈沖信號的下降沿，由定時(shí)器計數，通過(guò)二次計數的差值便能得到脈沖信號的周期，進(jìn)而可以計算出所測交流信號的頻率。

2 硬件電路設計

硬件電路完成的任務(wù)是：

（1）模擬電路部分的設計，其功能是進(jìn)行信號的轉化。交流信號通過(guò)整流橋、光電耦合器等模擬器件便能得到周期脈沖信號。

（2）數字電路部分的設計，其功能是進(jìn)行信號的檢測。MSP430單片機內部的16位定時(shí)器A具有脈沖捕獲功能，能將脈沖信號的占空比檢測出來(lái)。

圖1為它的基本結構圖。

圖1 系統的基本結構

2.1 模擬電路部分的設計

圖2為模擬部分原理。下面主要闡述該電路的工作原理：

圖2 模擬部分原理圖

考慮到交流信號中可能含有一定的直流信號，而直流信號會(huì )引起交流波形的上移或下移，這可能會(huì )導致原有交流信號沒(méi)有零點(diǎn)，這就談不上過(guò)零檢測、周期脈沖了，因此要根據交流信號的實(shí)際情況，在交流信號的出口處用設個(gè)適當的電容，起到隔直的作用。

R1和R2是限流電阻，保護后面的穩壓管、二極管、光電耦合器在額定功耗范圍內。由于這里的交流信號源選取的是220V市電正弦信號，所以R1和R2的阻值要比較大而且功率要比較大，該系統使用的是 、1W的電阻。

D1和D2是齊納穩壓管，主要作用是限壓，保護整流橋的整流二極管使其反向電壓在范圍之內。該系統選用的穩壓管型號是1N4736其穩壓范圍是 ，遠遠小于整流二極管的反向耐壓。圖3為穩壓管的端電壓（即圖1中的Vi1－Vi2）波形。

圖3 穩壓管的端電壓波形

D3是整流橋，將交流電進(jìn)行全波整流，使電流方向恒定。圖4為整流橋兩端的電壓（即圖中的V1-V3）波形。

圖4 整流橋的端電壓波形

U2是光電耦合器，其作用有二：信號轉變功能，將整流后的交流信號轉變?yōu)槊}沖信號；強弱電隔離功能，使強電部分和弱電部分在電氣上處于隔離狀態(tài)，在強電部分發(fā)生故障時(shí)不會(huì )損壞后面的弱電電路包括單片機系統。該系統使用的型號是4N25，有良好的開(kāi)關(guān)特性，而且它的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以通過(guò)基級電阻進(jìn)行調節，圖5為其基級電阻在給定環(huán)境下的開(kāi)關(guān)特性^[3]。由圖5可以看出基級電阻R_be取 左右時(shí)其綜合時(shí)間指標最好，即開(kāi)關(guān)特性較優(yōu)，所以本系統中基級電阻（R5）取 。

圖5 光電耦合器（4N25）基級電阻的開(kāi)關(guān)特性

其集電極―發(fā)射級的電壓（V5）波形，見(jiàn)圖6。

圖6 光電耦合器（4N25）的集電極―發(fā)射級的電壓波形

Q1為三級管，作用是將V5的脈沖信號轉化為單片機所能識別的高低電平（0－3.3V）。因此Q1必須工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和狀態(tài)和截至狀態(tài)不斷切換的過(guò)程中。系統中的電阻R6和R7阻值的選取主要使三級管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖7為Q1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的幾個(gè)指標R6上的電流r6[i]=Ib，R7上的電流r7[i]=Ic，V5＝Vbe，V6＝Vce。

圖7 三級管的開(kāi)關(guān)特性

由圖7可以看出三級管工作在飽和狀態(tài)下 ，而工作在截至狀態(tài)下 ，起到了良好的開(kāi)關(guān)特性。

TA0就直接進(jìn)入單片機，R8是限流電阻防止進(jìn)入單片機的電流過(guò)大。

2.2 數字電路部分的設計

系統使用的主芯片采用德州儀器公司的低功耗單片機MSP430F449。MSP430F449是MSP430系列中一個(gè)功能很強的單片機，內部采用馮.諾依曼體系，RISC指令結構，運算器寬度16位。片內集成了60KB的FLASH程序存儲器，2KB的SRAM數據存儲器，多個(gè)16位定時(shí)/捕獲/比較器，2個(gè)串行口，12位模數轉換器，JTAG程序下載、在線(xiàn)調試接口，看門(mén)狗定時(shí)器等。48個(gè)Ｉ/Ｏ多功能端口，其中Ｐ1口和Ｐ2口具有位中斷功能。因此該款單片機具有指令執行速度快、功能強大、外部電路簡(jiǎn)單、功耗低、節電管理方式完善、定位于嵌入式系統應用等特點(diǎn)^{[4] [5]}。

在該系統中，使用到的單片機的主要功能模塊是16位定時(shí)器A(Timer A)。其內部的脈沖捕獲器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)^[6]：

（1）16位計數器，4種工作模式；

（2）多種可選的計數器時(shí)鐘源，可是是慢時(shí)鐘、快時(shí)鐘以及外部時(shí)鐘；

（3）具有多個(gè)可配置輸入端的捕獲/比較寄存器，并且8種輸出模式的多個(gè)可配置的輸出單元；

（4）不僅能捕獲外部時(shí)間發(fā)生的時(shí)間，還可鎖定外部時(shí)間發(fā)生時(shí)的高低電平，給我們的設計帶來(lái)很大的方便；

（5）可以以硬件方式支持串行通信。

3 軟件設計^{[7] [8] [9]}

軟件設計的任務(wù)主要是Timer A的初始化的設定，其軟件采用C語(yǔ)言編程。Timer A工作在捕獲方式時(shí)，當滿(mǎn)足捕獲條件（觸發(fā)方式）時(shí)，硬件自動(dòng)將計數器TAR中的數據寫(xiě)入捕獲/比較寄存器CCR0。圖8是系統軟件流程圖。

圖8 系統軟件流程圖

在本系統中，定時(shí)器采用連續計數模式，捕獲方式采用下降沿捕獲。系統初始化包括系統頻率fs的選擇（1MHz）、Timer A的控制寄存器的設置，需要設置的寄存器為控制寄存器TACTL和捕獲/比較控制寄存器CCTL0。Timer A中斷函數在發(fā)生捕獲時(shí)被觸發(fā)，首先計算CCR0中的值與變量LastCCR0的差值，LastCCR0是上次捕獲時(shí)記錄的寄存器CCR0的值， CCR0的初始值為0。循環(huán)五次即被觸發(fā)五次，五次的差值被保存在數組Timervalue[]中?？紤]到計數器剛開(kāi)始計數時(shí)信號不一定從零點(diǎn)開(kāi)始，所以真正的計算應該從第二次觸發(fā)開(kāi)始，這樣就能計算出四個(gè)脈沖周期，接著(zhù)計算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測交流信號的半周期，進(jìn)而可以得出其頻率。用公式表示為：

（ 為系統頻率）

4 結論

文中提出了一種過(guò)零檢測電路，并按實(shí)際需要選取了相應參數的電子元件，同時(shí)利用MSP430單片機的脈沖捕獲功能實(shí)現了交流信號頻率的檢測。該系統對低頻交流信號頻率的檢測精度高、實(shí)時(shí)性強，具有一定的實(shí)際應用價(jià)值。同時(shí)本文介紹的過(guò)零檢測電路其應用更加廣泛，再利用MSP430單片機Timer A內部的捕獲/比較器的多路PWM輸出單元，便能實(shí)現一定的控制功能。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：文中提出了一種測寬法的交流頻率檢測系統。該系統利用過(guò)零檢測、MSP430單片機的脈沖捕獲功能，較以往的頻率檢測系統直觀(guān)、精度高、實(shí)時(shí)性強。

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