基于arm的頻率信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

0檢測方法和誤差在電子測量領(lǐng)域，頻率信號具有很強的抗干擾性，容易在遠(yuǎn)距離內(nèi)傳輸，因此應(yīng)用場景不斷變化。測量頻率的方法一般分為無源測頻法、有源測頻法及電子計數(shù)法三種。無源測頻法,精度在1%左右,有源測頻法主要用于測高頻信號,誤差在±20Hz左右,他們在測量范圍和精度上都有一定的不足。近年來,隨著數(shù)字電路快速發(fā)展和集成電路的普及,電子計數(shù)法的應(yīng)用也十分廣泛,電子計數(shù)法的主要優(yōu)點是測量頻率的精度高、測量迅速、易于實現(xiàn)因此,本文采用了電子計數(shù)法,以16路頻率信號為例,設(shè)計實現(xiàn)16路信號的采集,主要包括頻率信號的硬件采集電路和軟件驅(qū)動程序設(shè)計1電源模塊電路多通道頻率信號采集電路主要可分為電源模塊、信號處理模塊、微處理器模塊、人機交互模塊等,如圖1所示。電源模塊電路采用直流供電的方式,經(jīng)過電源模塊處理后輸出不同等級的電壓,給電路中各模塊供電。輸入的頻率信號經(jīng)過信號處理模塊處理后到達(dá)微處理器端口,通過數(shù)據(jù)采集,計算出頻率值,再利用人機交互模塊查看各個通道的頻率信息。著重介紹電源模塊、信號處理模塊和微處理器模塊三部分。1.1模塊電源電路電源模塊電路如圖2所示,采用直流供電的方式,經(jīng)過電壓模塊處理后輸出5V、3.3V給頻率采集電路內(nèi)部各模塊供電。在電源模塊電路中,N1采用DC-DC模塊電源K7805,主要優(yōu)點是效率高、損耗小、發(fā)熱低,使用時無需外加散熱片,寬電壓范圍輸入,外部電壓輸入范圍6.5~32V時,均可將外部輸入電源轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓5V輸出;N2采用低壓差線性穩(wěn)壓器AS1117-3.3V,固定輸出3.3V電壓。在電路設(shè)計中所選用的K7805和AS1117-3.3V均為成熟芯片,性價比也很高。1.2信號采集電路信號處理模塊是多通道頻率信號采集硬件電路的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計,其輸入的頻率信號包含很多無用的干擾信號,若不進行有效地處理,則會導(dǎo)致采集到的頻率值與輸入的頻率值偏差很大,不能達(dá)到預(yù)期的需求。信號采集在設(shè)備上作為數(shù)據(jù)輸入端,接口經(jīng)常帶電插拔,故接口容易受到過電壓、過電流的沖擊,同時也容易受到戶外雷電干擾,必須對輸入的頻率信號進行前端保護,再進行信號處理,若不進行保護很容易將芯片損壞。本文設(shè)計的信號處理電路可以有效去除雜波干擾,為后期的信號處理提供良好的數(shù)據(jù)支持,圖3表示的為一路頻率信號處理模塊,其他路的頻率信號采集電路與其相同。頻率信號處理模塊前端保護電路主要是采用雙向瞬態(tài)抑制二極管進行保護,二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時,它能以很快的速度,將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值,有效地保護電路中的元器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。信號處理電路主要是通過運算放大器設(shè)計成電壓跟隨器電路,利用電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點,當(dāng)輸入阻抗很高時,對前級電路開路;當(dāng)輸出阻抗很低時,對后級電路就相當(dāng)于一個恒壓源,即輸出電壓不受后級電路阻抗影響,從而起到隔離作用,減少信號上的干擾。運算放大器采用雙路放大器AD8626,它是一款精密JFET輸入放大器,具有單電源供電、低功耗和軌到軌輸出等特性。當(dāng)容性負(fù)載超過500pF時,輸出仍能保持穩(wěn)定,每個放大器的電源電流小于630μA。5MHz帶寬和低失調(diào)特性則特別適合精密濾波器。為了進一步減少信號上的干擾,還需要對信號進行整形,采用施密特觸發(fā)器CD40106進行波形整形,將非標(biāo)準(zhǔn)的矩形波整形成標(biāo)志矩形波信號,便于微處理器端口識別,整形后的信號進入微處理器采集端口。1.3注射器模塊微處理器模塊采用LPC11C14,它是NXP公司推出的基于ARMCortex-M0內(nèi)核的微控制器LPC111X系列中的一員2軟件方案的設(shè)計2.1頻率數(shù)據(jù)處理功能多通道頻率信號采集采用外部中斷的捕獲功能實現(xiàn)頻率信號采集功能,當(dāng)輸入頻率信號時,捕獲其邊沿觸發(fā)的瞬時值,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,計算出輸入信號的頻率值,通過紅外遙控,在數(shù)碼管上查看相應(yīng)通道的頻率值。流程如圖5所示。2.2頻率信號采樣的準(zhǔn)確度多通道頻率信號采集軟件設(shè)計主要包括采集驅(qū)動和信號處理兩部分。頻率采集驅(qū)動程序是通過對系統(tǒng)時鐘,GPIO和定時器進行各種配置,利用GPIO的外部中斷,捕獲邊沿觸發(fā)時瞬時值的方式,獲取輸入頻率信號信息。頻率信號采樣的準(zhǔn)確可靠性對于整個測量系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定地工作起著重要的作用。在對頻率信號采樣時,必須消除信號的抖動,否則會造成采樣錯誤。頻率采集信號處理程序主要是對采集的信號進行數(shù)據(jù)處理,通過濾波的方式,有效地消除信號采集的抖動,得出頻率值。2.3采集誤差的測定按照硬件和軟件設(shè)計的多通道頻率信號采集,進行了頻率采集測試,頻率信號范圍在(0~5000)Hz時,采集誤差不大于1Hz。目前市面上大多數(shù)頻率傳感器的輸出范圍在(200~2000)Hz之間,測試結(jié)果表明,多通道頻率信號采集測量的頻率范圍及其誤差適用于采集傳感器頻率的控制系統(tǒng),能有效獲取需要的傳感器信息。3硬件電路設(shè)計流程本文以16路頻率信號采集為例,詳細(xì)介紹