维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷・ 第２期 电子测量与仪器学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡｓＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＩＮｓＴＲＵＭＥＮＴ ’ｆ．２０ ＪＩｖｏ．２ ８６ ・ ２００６年４月 变化脉冲频率的计算机测量方法 姜秀柱摘徐钊 （中国矿业大学计算机学院，江苏徐州２２１００８） 要：脉冲信号具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。所以，许多模拟量传感器设计了脉冲形式的输出信号，输出脉 冲的频率随模拟量的大小而变化。本文讨论了这种反应模拟量大小的脉冲信号的计算机测量方法。文中提出了两种测量方 法，一是定时计数法，在设定时间内测量输入脉冲的个数；另一个是周期计时法，捕捉输入脉冲的一个周期，测量周期的时间。 作者通过波形分析给出了这两种测量方法的原理，通过数学描述详细分析了这两种方法的测量精度。分别列出了影响两种 方法的测量精度的各种因素，给出了改善测量精度的方向。其中一个测量方法在煤矿井下环境参数的测量系统中得到了很 好的应用。 关键词：脉冲频率，模拟量，煤矿环境，测量精度 Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｉａｎｇ Ｘｉｕｚｈｕ Ｘｕ Ｚｈａｏ （Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｃｈｉｎｅｓｅ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｍｉｎｅｒａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｘｕｚｈｏｕ ｏｆｊｉａｎｇｓｕ ｐｒｏｖｉｎｃｅ，２２１００８ ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｈａｓ ａ ｌｏｔ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｍａｎｙ ａｎａｌｏｇ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｖａｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｏｎｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒｓ ｉｎ ａ ｇｉｖｅｎ ｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ａ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ；ａｎｏｔｈｅｒ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ｖａｌｕｅ ｉｎ ａ ｃｙｃｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｃａｔｃｈ ａ ｃｉｒｃｌｅ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｌｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｗａｖｅ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｄｅ— ｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｌｉｓｔｅｄ ｖａｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｓｏｍｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓ．Ａｔ ｌａｓｔ ｉｔ ｇａｖｅ ｔｈａｔ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ印一 ｐｌｉｅｄ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｗｅｌ１． ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎａｌｏｇｕｅ ｖａｌｕｅ，ｍｉｎｅｒａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． 在工业现场控制系统中，为了实现信号的远距 方法，来计算频率信号的频率。计算出频率后，再根 据频率与模拟量的线性关系计算出模拟量的大小。 离可靠传输，许多模拟量传感器都设计了脉冲信号 形式的输出。脉冲信号具有功耗小、抗干扰能力强、 传输距离远的优点。输出脉冲信号的频率随监测模 拟量的大小呈线性变化。这样输入到计算机监控系 统的模拟量就是数值连续变化的脉冲频率。 １传感器输出频率信号的特点 目前市面流行的各种具有远距离传输能力的传 感器，特别是煤矿井下环境检测传感器，其输出信号 在使用单片机构成的计算机监控系统中，脉冲 信号经过比较器整形再经光电隔离后，可直接接入 ＣＰＵ的某个端口，由ＣＰＵ内的计时器对输入的频率 或是进行定时计数，或是进行周期计时，通过这两种 本文于２００５年４月收到。姜秀柱：副教授；徐钊：教授。 形式基本都具有频率信号输出。输出的频率信号的 频率变化范围为标准的２００Ｈｚ－－１０００Ｈｚ（与标准ＩＩＩ 型仪表的输出４—２０ｍＡ成５倍的对应关系），信号 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 变化脉冲频率的计算机测量方法 ・ ８７ ・ 的幅值以及输出电路形式则随不同的传感器而有所 不同，可以是从几十毫伏到几十伏不等的电压，也可 以是４／２０ｍＡ的电流。对于电流型脉冲信号，其输 出电路形式可能是集电极开路输出，也可能是射极 开路输出，对于电压型脉冲信号，其输出电路形式可 能是集电极电容耦合输出，也可能是射极电容耦合 输出。 由于传感器输出电路的不同，计算机系统的输 入电路也应不同，对于电流型频率信号要设计电流 到电压的转换电路。对于电容耦合输出的电压型频 率信号要设计参考电位电路，对于各种不同幅值的 频率信号应设计具有不同输入阻抗的输入电路。此 外，频率信号在传输过程中，脉冲波形会因为干扰和 衰减发生畸变，所以在将频率信号送入计算机测量 端口之前要对频率信号进行整形，为了保障计算机 系统对信号源的抗干扰能力，整形后的脉冲通常还 要经过光电隔离，然后输入计算机端口。 频率信号经过上述硬件的处理后，基本上成为 整齐的标准１ＴＩ’Ｌ电平的脉冲，这时即可直接输入计 算机端口检测。 ２定时计数和周期计时的原理 进入计算机的脉冲可通过定时计数和周期计时 两种方法来计算其频率。 所谓定时计数就是设计一个高精度定时值，在 这个定时时间内，对读取的脉冲个数进行统计，统计 得到的脉冲个数值除以定时值，即得频率值。定时 值的数值必须远大于输入脉冲的最大周期。其工作 原理如图１所示。这种方法需要两个计数器，一个 是作减量操作的定时计数器，一个是作增量操作的 脉冲计数器。 图１ 定时计数法原理 １ （１） 一 所谓周期计时就是对输入脉冲的周期进行计 时，计算一个输入脉冲周期的长度，然后这个周期长 度值的倒数，就是输入脉冲的频率。其工作原理如 图２所示。这种方法只需一个定时计数器，但需要 占用一个中断资源，来捕捉脉冲。由于输入脉冲的 频率反映的是连续变化的模拟量，所以采用周期计 时的时候，不能孤立的测量某一个脉冲周期，而是要 至少连续测量多个脉冲周期，取其平均值。 衰 ，‘１』 一 ２） ！Ｉ输人脉冲的周期 ｉ△ ｎ ｎ几ｎ ｎ ｎ ｎ几几ｎ门ｌ 笪 ｒ１门ｎ几几几几几ｎ ｎ几 一一ｉＴｍ ｉ ；ｔ ； 图２周期计时法原理 ３定时计数方法的计算精度分析 设计算机定时计数器的位数Ⅳ足够大，计算机 系统的时钟频率为 ，计数脉冲的频率为 是 进行Ｍ分频以后的频率。设给定的测量定时值为 ｋ，定时值时间内的计数值为凡，被测量的模拟量输 入脉冲频率信号的频率变化范围为 ＿ ，模拟量 的量程范围为ｍ。一ｍ ，计算机测量的频率值为 ，模 拟量的输出为 。则 ’。・ ， ＝， 意＝警＝ ｋ一 （ｊ３） ｍ２一ｍＩ 令 ｒ （４） 则 （５） ｘ。±△ｘ：（Ｌ０±ａＬ）・ ｎ ｏ＋Ａ ｎ 。 ± 本 学 。鲁＋ ｎｏ 。 （７） 维普资讯 http://www.cqvip.com ・ ８８ ・ 电子测量与仪器学报 ２００６年 １± 冲和输入信号的相位误差，输入脉冲频率信号的周 ±△一±△Ｌ ＋警¨一。（８） 这样可以最大相位误差在一个计数周期内，如 期采用中断捕捉时，应尽可能与计数脉冲周期同步， ｎｏｋｏ 式（８）清楚地表明，ｎ。，ｋｏ越大，△ 越小。也就是说 测量频率的定时计数方法适于测量频率比较高的传 感器参数，或者如果计算机的定时计数器的位数比 较长，能够给出比较大的定时值，则也可以采用定时 计数方法测量频率。 另外式（５）中Ｌ的精度取决于Ｌ值的大小以及 计算机的数据表示位数；１１的精度取决于ｎ值的大 小以及计数器的位数；ｋ的精度取决于ｋ值的大小 以及定时计数器的计数脉冲周期 ＝ １的精度；通 ．，ｍ 常 ＝Ｍ・ｆｏ，所以ｋ的精度与计算机系统的时钟频 率有关。Ｌ的精度可以通过选择计算机的数据表示 位数来保证，增大统计脉冲的个数的计数器的位数， 可以提高ｎ的精度，增大定时计数器的位数，提高计 算机系统的时钟频率，减少定时计数脉冲的周期，可 以提高ｋ的精度。 除上述因素之外，ｎ的误差还与输入信号的相 位有关，ｋ的误差与计数脉冲的相位有关，两个相位 因素的影响如图１所示，ｎ和ｋ的值越大，相位误差 的影响越小。 ４周期计时方法的计算精度分析 设计算机计数器的位数Ｎ足够大，计数脉冲的 频率为ｆⅢ，在一个输入脉冲频率周期内测量的定时 ／ ／ 计数值为ｎ，计算机系统的时钟频率为ｆｎ，计算机测 、，¨ 、， 量的频率值为ｆ，被测量的模拟量输入脉冲频率信号 的频率变化范围为ｆ 一ｆ２，模拟量的量程范围为 ｍ 一ｍ：，模拟量的输出为ｘ。根据式（２）和式（３）、 （４）可知， ：￡． ：￡．量：￡． （９） ｎ。 ｎ ｎ 式（９）中，Ｌ、Ｍ、ｆ０都完全依赖于计算机系统的 选择，所以脉冲频率测量的周期计时方法的精度主 要取决于计数值ｎ的精度。这里ｎ的误差只与计数 脉冲和输入信号的相位误差有关。为了减少计数脉 图２所示。如设Ｌ＝Ｌｏ±ＡＬ， ｆｏ＝ｆｏ￣ａｆｏ ｎ＝ｎｏ±Ａｎ， ＝ ｏ±Ａｘ，并忽略△Ｌ和△ｆ０，则 Ｌｏ・ Ｍ．ｆｏ＝Ｌｏ・ Ｍ＇ｆｏ＝Ｌｏ・ △ｎ ・ ——ｎｏ＋Ａｎ。Ｌｏ。 ・ △ｘ＝ Ａｎ・ ｎ０土△，ｌ 。 由式（１１）知，ｎ。越大，△ 越小。ｎ。大意味着脉 冲周期大，频率低，所以周期计时方法适应于测量低 频脉冲信号。 ５ 结 论 脉冲信号是电子测量中广泛使用的信号形式， 其频率的计算机测量方法，简单而言有计数和计时 两种方法，各自有不同的优点，分别适应于不同的被 测信号。 定时计数法，需要两个定时计数器配合工作，影 响精度的因素比较多，但脉冲信号的输入可从任何 普通端口接人，可不占用特殊端口资源，适应于测量 频率比较高的脉冲信号。 周期计时法，只需要一个定时计数器，影响精度 的因素比较少，但脉冲信号必须从外部中断端口输 入，占用宝贵的外部中断资源，适应于测量频率比较 低的脉冲信号。 在我们开发的煤矿井下安全监控系统中，有大 量的用于监测井下生产环境参数的传感器，由于环 境恶劣，系统要求信号传输距离远，所以传感器普遍 设计了２００－－１０００Ｈｚ的脉冲信号输出，由于输出频 率范围较低，所以我们采用了周期计时法，脉冲频率 测量精度达到０．１％以上，实现的系统（含传感器和 传输线路及计算机硬件系统）的测量精度优于１％。 （下转第１０５页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 参考文献： 基于ＦＰＧＡ的ＨＤＴＶ显示器测试图案发生器 作者简介： ・１０５・ ［１］ 国狄飞，张涛，数字ＨＤＴＶ信源解码器的研究与实现， 天津大学学报，２００２年６月，Ｐ７８７－７９１． 张 涛：男，１９７５年出生，博士。 ２００４年毕业于天津大学电子信息工程学 ［２］ 蒋璇，数字系统设计与ＰＬＤ应用技术，电子工业出版 社，２００１年１月，Ｐ２５７—２６０． 院，现为天津大学电信学院讲师。主要 研究方向为数字电视，图像处理，音频编 码算法研究，高速实时信号处理技术等。 国澄明：男，１９４３年出生。１９６６年毕 张涛 ［３］ ｓｍｐｔｅ２７４ｍ一“ｓｍｐｔｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ一１９２０×１０８０ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｐａｒｌｌａｄ ｄｉＤｔｌａ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｐｉｃｔｕｒｅ ｒａｔｅｓ”，ｓｍｐｔｅ，１９９５． 业于通信工程兵学院，现为天津 大学电信学院教授、博导。主要研究方 ［４］ ｓｍｐｔｅ２９６ｍ一“ｓｍｐｔｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ一１２８０ ７２０ ｓｃａｎ— ｎｉｎｇ，ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｄｉ ｔａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｏｇ ｉｎｔｅｒ— ｆａｃｅ”，ｓｍｐｔｅ，１９９５． 向为数字电视，图像处理，高速实时信号处理技术等。 俞斯乐：男，１９３０年出生。１９５２年毕业于南开大学，现 ［５］ ｓｍｐｔｅ ２９３ ｍ一“ｓｍｐｔｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆｒ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ－７２０ ４８３ ａｃｔｉｖｅ ｌｉｎｅ ａｔ ５９．９４一ｈｚ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｓｃａｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ—ｄｉＤｔｌａ ｒｅｐ— ｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ”，ｓｍｐｔｅ，１９９４． 为天津大学电信学院教授、博导。主要研究方向为数字电 视，视频编码技术，先进电视与高清晰度电视。 ［６］ 试验用１０８０￣０Ｈｚ视频输出标准，中国高清晰度电视 功能样机总体组，１９９６． （上接第８８页） 参考文献： ［１］李智奇等，关于超高频率测量技术的研究，宇航计测技 术，２００４年３月，Ｐ１２—１５． 作者简介： ［２］ 杨川，徐云，一种解决谐波分析非整周期采样问题的新 方法，仪器仪表学报，２００３年６月，Ｐ２９５—２９６（３０８）． ［３］路立平等，郑州轻工业学院学报（自然科学版），２００３ 年４月，Ｐ８—１０． ［４］ 陈润泰，许琨，检测技术与智能仪表，长沙，中南工业大 学出版社，２０００年３月，Ｐ１６５—１８２． ＿ 领算中域机国矿姜为网业计络秀柱大算及应学机：１９用副检６２教测，计年授与算出控，机博生制系士，技统男生术结，。江及构主苏应等要徐用。研 州，究计， ［５］胡汉才编著，单片机原理及其接口技术，北京：清华大 学出版社。１９９６年７月．
