一款基于單片機的基2同步數據采集系統設計

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。一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號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)現同步要樣的數據采集系統。

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fo(fo>>fx),周期為T(mén)o,對fo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： Nfx=(f0)/M (1) 或 Tx=M%26;#183;NT0=N%26;#183;MT0 (2) 為了實(shí)現基2同步采樣，通常?。?N=2 n (3) 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fo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 INT0和INT1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To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To; 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To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)才計數器。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)記靈中斷次數，以擴展計數范圍。利用外部中斷INT0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： M=R4HL N (4) 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們，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PLO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?x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板卡采集，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： Tj+1=2Tj-Tj-1=Tj%26;#177;ΔTj (5) 由此可得： Mj+1=2Mj-Mj-1=Mj%26;#177;ΔMj (6) 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030FH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： Txmin=8х24T0+TP=128μs+TP (7) 式(7)中的TP為單片機周期預測所需的時(shí)間，設約為72μs。

當輸入信號頻率較低時(shí)，(3)式中的n取8位二進(jìn)制，(4)式中的M可取16位二進(jìn)制的最大值，因此由(2)式可求得： Txmax=28х216T0≈16s (8) 則由(7)、(8)兩式可確定： fxH≤5kHz和fxH≥0.1Hz (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。