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多周期同步测频法车速测量系统开发

  存在着当被测信号的频率变化范同较大时,精度比较低的缺点。本文介绍了传统测量方法存在的问题,分析了同步测频方法如何解决这一个问题,并且给出了用单片机实现的车速测量系统的具体方案,以及利用该系统进行测量的实际结果。

  传统测量频率有二种方法:一种方法是计数器测频法(简称测频法)。该方法是将被测频率信号fx加到计数器的计数输入端.使计数器在标准时间Tc1内进行计数。其误差主要来源于计数器只能进行整数计数而引起l误差,因此计数器直接测频法产生的误差为:

  第二种方法是计数器测周法(简称测周法)。该方法将标准频率信号fc2送到计数器的计数输入端,使被测频率信号fx控制计数器的计数时间Tz。计数器测周法产生的1误差为:

  由(1)(2)式可知,在同样的时间Tc内,测频法的1误差随被测频率的减小而增大,而测周法的误筹则随被测频率的增大而增大。因此,通常测量高频信号时采用测频法,而测量低频信号时采用测周法。但是无论哪种方法,都只能在一定程度上减小误差而不能消除误差。并且,对于频率变化范围较大的被测信号,二种方法都不能满足高精度测量的要求。

  在直接测频法的基础上发展的多周期同步测频法,在目前的测频领域中得到越来越多的应用。在多周期同步测频法中,闸门时间不是同定值,而是被测信号周期的整数倍,即与被测信号同步。

  首先,由单片机给出闸门开启信号,但此时计数器并不开始计数,而等纠被测信号的上升沿到来,产生与被测信号同步的实际闸门信号时.两组计数器才真正开始计数。两组计数器分别对被测信号和标准频率脉冲信号计数。当预置闸门信号关闭后,计数器也并不立即停止计数,而是等到被测信号上升沿到米的时刻才真正结束计数,完成一次测量过程。因此.实际闸门时间与设定闸门时间并不严格相等,但最大差值不超过被测信号的一个周期。计数器的开启和关闭与被测信号是同步的,即闸门中包含整数个被测信号周期,因此不存在对被测信号计数的l量化误差。被测信号的频率计算方法为:

  由上述分析可知,多周期同步测频法不存在对被测信号计数的误差,测量相对误差与被测信号频率大小兄关,仅与闸门时间及标准频率信号的频率大小有关。可以通过增大闸门时间或提高标准频率信号,来提高测量精度。当闸门时间和标准频率确定后,测量相对精度也确定,即在被测信号的整个频段内测量的精度相同。因此测频范围在理论上不受限制。

  车速测量系统的核心是单片机测频模块,测频模块将测量出的信号频率值(或车速值)实时传送给车载CAN总线网络,CAN总线将所测频率值(或车速值)与其他整车性能参数一起传送给上位计算机,进行实时记录并显示。测量电路结构图如图1所示。

  本模块采用摩托罗拉M68HCl2单片机。该单片机内部具有标准定式模块(TIM)及输入捕捉(IC)功能。在IC功能启用后。TIM模块运行时,16位的自由定时器按照设定的时钟频率循环计时。当某个被测信号的设定边沿到来时,输入捕捉逻辑立即将自由定时器的内容捕捉到IC/OC寄存器中,其分辨能力高达lus甚至更高,并设置中断请求标志,随后软件可以响应中断或者根据标志做出处理。因此,利用捕捉中断功能,可以对被测频率信号进行计数。同时,将单片机内部时钟作为标准频率信号,并可利用自由定时器进行计数。

  白南运行定时器是TIM的核心部分,其TI作频率直接决定IC/OC的分辨能力。M68HCl2单片机内部具有锁相环功能。因此利用锁相环功可将将单片机内部晶振频率提高很多,实际应用中提高到24MHz,使自由定时器的频率达到12MHz。

  综上所述,将被测频率信号经放大整形后,接入单片机输入捕捉管脚PORTT0,利用单片机输入捕捉中断功能对被测信号进行计数,同时将单片机内部12MHZ时钟作为标准频率信号,并通过16位自由定时器进行计时,即可实现多周期同步测频法。其中fo=12MHz,由于=1/f0T ,因此该方法将具有非常高的测量精度。此外,单片机具有8个独立的IC/OC通道,M68HCl2单片机可以实现多路频率信号的同H寸测量。

  系统程序主要包括:锁相环子程序、预置闸门时间子程序、运算处理子程序、CAN总线传输数据子程序等。程序设计思路及流程图如图2所示。

  利用高精度高稳定性的频率信号源对本系统进行标定,取得了比较精确的测量结果。测量最大相对误差小于10-6。经实验验证,通过上位机调节闸门时间长短,可以确保本车速测量系统在10Hz~100kHz频率范围内的高精度测量。

  实际实验中,在车上安装OES一11型光电式速度传感器,并将输出信号(频率范围在10-35kHz内)接入本车速测量系统,在转鼓实验台上进行0150km/h匀等速与加减速实验,0.5ms测量并记录一次实验数据,测试曲线所示,测量结果与实际情况相符合。测试结果表明,本系统具有测量精度高、测量范围大、抗干扰性强等优点,适用于实际整车测试。

  多周期同步测频法与传统测频法或测周法相比,能够消除误差。实现整个频段内的等精度测量。利用该方法设计的车速测量系统,充分发挥单片机本身的功能特点,可完成高精度测频。同时,上位机可以任意控制闸门时间,实现不同的测量速度与测量精度要求。经验证,本车速测量系统在实际整车测试中,取得了精度较高的令人满意的测试结果。