多周期同步測頻法車(chē)速測量系統開(kāi)發(fā)
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傳統車(chē)速測量，一般采用測頻法或測周法。由于其方法本身固有的缺陷，傳統車(chē)速測量系統存在著(zhù)當被測信號的頻率變化范同較大時(shí)，精度比較低的缺點(diǎn)。本文介紹了傳統測量方法存在的問(wèn)題，分析了多周期同步測頻方法如何解決這一個(gè)問(wèn)題，并且給出了用單片機實(shí)現的車(chē)速測量系統的具體方案，以及利用該系統進(jìn)行測量的實(shí)際結果。
1 測試方法及測試原理
1．1傳統測量方法
傳統測量頻率有二種方法：一種方法是計數器測頻法(簡(jiǎn)稱(chēng)測頻法)。該方法是將被測頻率信號fx加到計數器的計數輸入端．使計數器在標準時(shí)間Tc1內進(jìn)行計數。其誤差主要來(lái)源于計數器只能進(jìn)行整數計數而引起±l誤差，因此計數器直接測頻法產(chǎn)生的誤差為：
第二種方法是計數器測周法(簡(jiǎn)稱(chēng)測周法)。該方法將標準頻率信號fc2送到計數器的計數輸入端，使被測頻率信號fx控制計數器的計數時(shí)間Tz。計數器測周法產(chǎn)生的±1誤差為：
由(1)(2)式可知，在同樣的時(shí)間Tc內，測頻法的±1誤差隨被測頻率的減小而增大，而測周法的誤籌則隨被測頻率的增大而增大。因此，通常測量高頻信號時(shí)采用測頻法，而測量低頻信號時(shí)采用測周法。但是無(wú)論哪種方法，都只能在一定程度上減小誤差而不能消除誤差。并且，對于頻率變化范圍較大的被測信號，二種方法都不能滿(mǎn)足高精度測量的要求。
1．2多周期同步測頻法
在直接測頻法的基礎上發(fā)展的多周期同步測頻法，在目前的測頻領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應用。在多周期同步測頻法中，閘門(mén)時(shí)間不是同定值，而是被測信號周期的整數倍，即與被測信號同步。
首先，由單片機給出閘門(mén)開(kāi)啟信號，但此時(shí)計數器并不開(kāi)始計數，而等糾被測信號的上升沿到來(lái)，產(chǎn)生與被測信號同步的實(shí)際閘門(mén)信號時(shí)．兩組計數器才真正開(kāi)始計數。兩組計數器分別對被測信號和標準頻率脈沖信號計數。當預置閘門(mén)信號關(guān)閉后，計數器也并不立即停止計數，而是等到被測信號上升沿到米的時(shí)刻才真正結束計數，完成一次測量過(guò)程。因此．實(shí)際閘門(mén)時(shí)間與設定閘門(mén)時(shí)間并不嚴格相等，但最大差值不超過(guò)被測信號的一個(gè)周期。計數器的開(kāi)啟和關(guān)閉與被測信號是同步的，即閘門(mén)中包含整數個(gè)被測信號周期，因此不存在對被測信號計數的±l量化誤差。被測信號的頻率計算方法為：
其中，Nx——被測信號的計數值；N0——標準信號的計數值；f0——標準信號的頻率
由(3)式可得，多周期同步測頻法產(chǎn)生的誤差為：
由上述分析可知，多周期同步測頻法不存在對被測信號計數的誤差，測量相對誤差與被測信號頻率大小兄關(guān)，僅與閘門(mén)時(shí)間及標準頻率信號的頻率大小有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)增大閘門(mén)時(shí)間或提高標準頻率信號，來(lái)提高測量精度。當閘門(mén)時(shí)間和標準頻率確定后，測量相對精度也確定，即在被測信號的整個(gè)頻段內測量的精度相同。因此測頻范圍在理論上不受限制。
綜上所述，欲實(shí)現整個(gè)頻段內的高精度頻率測量，應采用多周期同步測頻法。
2 多周期同步測頻法車(chē)速測量系統的實(shí)現
車(chē)速測量系統的核心是單片機測頻模塊，測頻模塊將測量出的信號頻率值(或車(chē)速值)實(shí)時(shí)傳送給車(chē)載CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，CAN總線(xiàn)將所測頻率值(或車(chē)速值)與其他整車(chē)性能參數一起傳送給上位計算機，進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并顯示。測量電路結構圖如圖1所示。
圖1測雖電路結構圖
2．1單片機測頻模塊的實(shí)現
本模塊采用摩托羅拉M68HCl2單片機。該單片機內部具有標準定式模塊(TIM)及輸入捕捉(IC)功能。在IC功能啟用后。TIM模塊運行時(shí)，16位的自由定時(shí)器按照設定的時(shí)鐘頻率循環(huán)計時(shí)。當某個(gè)被測信號的設定邊沿到來(lái)時(shí)，輸入捕捉邏輯立即將自由定時(shí)器的內容捕捉到IC／OC寄存器中，其分辨能力高達lus甚至更高，并設置中斷請求標志，隨后軟件可以響應中斷或者根據標志做出處理。因此，利用捕捉中斷功能，可以對被測頻率信號進(jìn)行計數。同時(shí)，將單片機內部時(shí)鐘作為標準頻率信號，并可利用自由定時(shí)器進(jìn)行計數。
白南運行定時(shí)器是TIM的核心部分，其TI作頻率直接決定IC／OC的分辨能力。M68HCl2單片機內部具有鎖相環(huán)功能。因此利用鎖相環(huán)功可將將單片機內部晶振頻率提高很多，實(shí)際應用中提高到24MHz，使自由定時(shí)器的頻率達到12MHz。
綜上所述，將被測頻率信號經(jīng)放大整形后，接入單片機輸入捕捉管腳PORTT0，利用單片機輸入捕捉中斷功能對被測信號進(jìn)行計數，同時(shí)將單片機內部12MHZ時(shí)鐘作為標準頻率信號，并通過(guò)16位自由定時(shí)器進(jìn)行計時(shí)，即可實(shí)現多周期同步測頻法。其中fo=12MHz，由于ε=±1/f0T ，因此該方法將具有非常高的測量精度。此外，單片機具有8個(gè)獨立的IC／OC通道，M68HCl2單片機可以實(shí)現多路頻率信號的同H寸測量。
2．2系統程序設計
系統程序主要包括：鎖相環(huán)子程序、預置閘門(mén)時(shí)間子程序、運算處理子程序、CAN總線(xiàn)傳輸數據子程序等。程序設計思路及流程圖如圖2所示。
3 實(shí)驗結果
利用高精度高穩定性的頻率信號源對本系統進(jìn)行標定，取得了比較精確的測量結果。測量最大相對誤差小于10-6。經(jīng)實(shí)驗驗證，通過(guò)上位機調節閘門(mén)時(shí)間長(cháng)短，可以確保本車(chē)速測量系統在10Hz～100kHz頻率范圍內的高精度測量。
實(shí)際實(shí)驗中，在車(chē)上安裝OES一11型光電式速度傳感器，并將輸出信號(頻率范圍在10-35kHz內)接入本車(chē)速測量系統，在轉鼓實(shí)驗臺上進(jìn)行0—150km/h勻等速與加減速實(shí)驗，0．5ms測量并記錄一次實(shí)驗數據，測試曲線(xiàn)如圖3所示，測量結果與實(shí)際情況相符合。測試結果表明，本系統具有測量精度高、測量范圍大、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)際整車(chē)測試。
圖2測量程序流程圖
圖3 0—150km／h勻等速與加減速實(shí)驗
4 結論
多周期同步測頻法與傳統測頻法或測周法相比，能夠消除誤差。實(shí)現整個(gè)頻段內的等精度測量。利用該方法設計的車(chē)速測量系統，充分發(fā)揮單片機本身的功能特點(diǎn)，可完成高精度測頻。同時(shí)，上位機可以任意控制閘門(mén)時(shí)間，實(shí)現不同的測量速度與測量精度要求。經(jīng)驗證，本車(chē)速測量系統在實(shí)際整車(chē)測試中，取得了精度較高的令人滿(mǎn)意的測試結果。
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