準周期信號基2同步數據采集系統的設計

摘　要：介紹了一款基于單片機的倍頻電路。該電路能夠實(shí)現對準周期信號的整周期同步采樣,具有倍頻精度高、跟蹤速度快、能對準周期信號進(jìn)行預測和補償等特點(diǎn);同時(shí)介紹了一種周期預測的方法和原理以及基于PC總線(xiàn)實(shí)現準周期信號的同步數據采集系統。
 
關(guān)鍵詞：準周期信號 整周期采樣 單片機 預測

數據采集及其傅立葉分析是信號處理的重要環(huán)節和基本手段。眾所周知,利用FFT技術(shù)對信號進(jìn)行頻譜分析時(shí),其精度受譜泄漏和柵欄效應等因素的制約。理論研究和實(shí)驗均表明:對周期或準周期信號實(shí)行按基頻整周期同步采集2n個(gè)數據,即整周期基2同步采樣,可以減小傅立葉分析中的固有誤差——譜泄漏和柵欄效應[1]。

對周期信號,通?？刹捎糜涉i相環(huán)和分頻器組成的鎖相倍頻電路[2],實(shí)現對信號的整周期基2同步采樣。但對周期緩慢變化的準周期信號,要實(shí)現整周期基2同步采樣,則非易事。本文提出一款基于單片機周期預測和補償,從而實(shí)現對準周期信號整周期基2同步采樣的倍頻電路。該電路倍頻精度高、跟蹤速度快,能對準周期信號進(jìn)行預測和補償,在信號處理和數據采集領(lǐng)域有較好的應用前景。最后給出了基于PC總線(xiàn)實(shí)現同步采樣的數據采集系統。

1 準周期信號基2倍頻電路的實(shí)現

1.1 準周期信號基2倍頻原理

設待采集的準周期信號的頻率為fX,周期TX。為了實(shí)現對輸入信號的整周期同步采樣,要求對輸入信號N倍頻,即產(chǎn)生一個(gè)頻率為NfX的A/D采樣脈沖。又設某基準時(shí)鐘脈沖信號的頻率為f0(f0>>fX),周期為T(mén)0,對f0進(jìn)行M分頻后,使其恰好等于輸入待采集周期信號頻率fX的N倍,即: 
式(3)中n=4, 5,…,8。顯然,當n的位數確定后,改變M,使M隨Tx的變化而變化,就能保證整周期基2同步采樣。

1.2 準周期信號基2倍頻電路的硬件實(shí)現

為了保證對準周期信號基2整周期同步采樣有較高的精度,筆者提出一款基于雙單片機的基2倍頻電路如圖1所示。它由過(guò)零比較器、二分頻器、單片機和或門(mén)組成,其中單片機選用AT89C2051,外部晶振頻率為12MHz,內部計數頻率f0為1MHz,輸入信號fX經(jīng)整形和二分頻后直接與兩單片機的外中斷相連。圖1中A、B、C、D、E、F、G各點(diǎn)波形如圖2所示。 

 
其工作原理是:在信號的奇周期TX1期間,單片機(1)定時(shí)器T0由輸入信號TX1的上升沿啟動(dòng),并對TX1填脈沖計數, TX1的下降沿關(guān)閉定時(shí)器T0;借助單片機的運算功能,確定M值,并利用定時(shí)器T1產(chǎn)生頻率為NfX的輸出脈沖信號。定時(shí)器T0設為內部計數形式,工作方式1(16位計數,初值為0),GATE位為1,利用外部中斷INT0引腳上的電平TX1,直接啟動(dòng)和關(guān)閉計數器。其計數結果是16位二進(jìn)制數HL,其中高位為H,低位為L(cháng)值。

當輸入信號頻率較低時(shí),計數器T0會(huì )溢出觸發(fā)中斷,在中斷服務(wù)程序中使用單片機內部寄存器(R4)記錄中斷次數,以擴展計數范圍。利用外部中斷引腳上TX1電平的下降沿產(chǎn)生中斷,讀取T0的計數值HL和R4的值。通常(3)式中的n可根據輸入信號的頻率,智能地選取4到8位的二進(jìn)制數,(2)式中的M值由下式給出: 
   
顯然M為16位二進(jìn)制數,因此設置定時(shí)器T1為內部計數方式,GATE位為1。當輸入信號頻率較高時(shí),選工作方式2(8位,初值自動(dòng)重裝載);當輸入信號頻率較低時(shí),選工作方式1(16位)。定時(shí)器T1的初值取決于上一奇周期期間測得的M值,當計數溢出中斷時(shí),在中斷服務(wù)程序中使P1.0輸出電平翻轉,即獲得fX的N倍頻的方波信號。

同理,可實(shí)現單片機(2)在偶周期TX2期間,輸出N倍頻的方波信號?？梢?jiàn)當輸入單片機的外部信號fX每產(chǎn)生一個(gè)周期脈沖,在其輸出端就會(huì )有N個(gè)輸出脈沖,用輸出脈沖去觸發(fā)A/D板卡采樣,即實(shí)現了N倍頻的整周期采樣。

1.3 準周期信號的周期預測

上述方法實(shí)現整周期采樣時(shí),是把這一周的周期值作為下一周的周期來(lái)計算采樣脈沖輸出頻率的。對周期性信號,周期固定不會(huì )影響結果;但對準周期信號,周期是漸變的,會(huì )帶來(lái)較大的誤差。為了減少或補償這種誤差,本設計借助單片機的運算和數據處理功能,分別對下一周期進(jìn)行周期預測。即利用前m個(gè)周期的T值,對下一個(gè)周期作出預測,再以預測的M來(lái)設置定時(shí)器T1的初值。用拉格朗日線(xiàn)性插值法可預測周期[3],如圖3所示。提取最近兩周的周期值,推算下一周的周期值。 

  
  
圖3中Tj為第j周終了時(shí)刻測得的周期值,Tj-1為第j-1周終了時(shí)刻測得的周期值,Tj+1為要預估的下一周終了時(shí)刻的周期值,則可得預估公式: 
    
2 基于PC總線(xiàn)控制的數據采集系統

基于PC總線(xiàn)的同步采樣系統框圖見(jiàn)圖4,它主要由地址譯碼器、單片機倍頻電路、A/D轉換器組成。各模塊功能如下:
    
地址譯碼: PC機中用戶(hù)可使用0300H～031FH地址,采用與非門(mén)74LS133對PC總線(xiàn)的地址信號A0～A9譯碼,端口地址為030EH和030FH。

單片機倍頻電路:產(chǎn)生同步信號進(jìn)行同步采樣,保證信號截斷長(cháng)度正好是信號周期的整數倍。

A/D轉換器:采用AD678芯片實(shí)現模數轉換。AD678是帶采樣保持器的12位A/D轉換器,其精度為2-12=1/4096=0.024%,轉換時(shí)間為5μs,其工作速率滿(mǎn)足采樣頻率的要求。

3 性能及誤差分析

(1)輸入信號上下限頻率fxH和fxL的確定
當輸入信號頻率較高時(shí),(3)式中的n取4位二進(jìn)制,考慮到單片機的中斷響應時(shí)間需要3～8個(gè)T0,因此由(2)式可求得:
    
(2)誤差分析
根據(5)式估算的周期值,如果準周期信號的周期變化是均勻的,即遵從勻變速規律,由此引入的誤差為0;如果周期變化是非均勻的,則仍會(huì )帶來(lái)一定誤差。在許多實(shí)際應用場(chǎng)合(如旋轉機械的起停過(guò)程)周期主要是勻變速或接近勻變速,而少許的偏離經(jīng)(5)式的修正后影響很小。其它的計數誤差和單片機中斷引起的誤差,可看作系統誤差,由單片機修正。
 
本文介紹的準周期信號同步數據采集系統,借助單片機的周期預測功能,對準周期信號智能倍頻,從而實(shí)現整周期基2同步采樣,進(jìn)而大大消除頻譜分析中的泄漏誤差和柵欄效應,在機械故障診斷、信號測試等相關(guān)領(lǐng)域具有很強的實(shí)用性。

參考文獻
1 牛玉廣,侯維寧.多通道信號的同相位整周期采樣[J].數據采集與處理;1997;12(2)
2 吳炳超,劉會(huì )金,王茂海.基于PC總線(xiàn)控制的帶鎖相環(huán)的多路數據采集卡的設計[J].
  電測與儀表,2002;39(5)
3 胡勁松,吳昭同,嚴洪標.提高旋轉機械振動(dòng)信號整周期采樣精度的一種方法[J].
  浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2002;36(3)
4 余水寶.智能數字鎖相倍頻技術(shù)研究[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報,2003;26(1)