多周期同步测频法车速测量系统开发 - 汽车电子 - 电子工程

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在评价汽车性能的整车测试实验中，车速测量是基础。通常，在整车测试实验中使用的车速传感器的输出信号为频率信号。范围在10Hz。lOOkHz内。因此，如何在10Hz～100kHz范围内精确测量频率信号，是整车测试及车速测量中的一个重要问题。

传统车速测量，一般采用测频法或测周法。由于其方法本身固有的缺陷，传统车速测量系统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，分析了多周期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。

<strong>1 测试方法及测试原理</strong>

1．1传统测量方法

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：

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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：

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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。

1．2多周期同步测频法

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：

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其中，Nx——被测信号的计数值；N0——标准信号的计数值；f0——标准信号的频率

由(3)式可得，多周期同步测频法产生的误差为：

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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。

综上所述，欲实现整个频段内的高精度频率测量，应采用多周期同步测频法。

<strong>2 多周期同步测频法车速测量系统的实现</strong>

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。


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图1测虽电路结构图

2．1单片机测频模块的实现

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ε=±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。

2．2系统程序设计

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。

<strong>3 实验结果</strong>

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<sup>-6</sup>。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0—150km/h匀等速与加减速实验，0．5ms测量并记录一次实验数据，测试曲线如图3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。


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图2测量程序流程图


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图3 0—150km／h匀等速与加减速实验

<strong>4 结论</strong>

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。

本文作者的创新之处：利用单片机开发了基于多周期同步测频法的高精度车速测量系统，克服了以往车速测量系统中被测信号范围较大时精度低的缺点，并将该车速测量系统运用于实际车速测试试验。


作者：陈凌峰，卢青春  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第3-2期