多周期同步測(cè)頻法車速測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)

在評(píng)價(jià)汽車性能的整車測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，車速測(cè)量是基礎(chǔ)。通常，在整車測(cè)試實(shí)驗(yàn)中使用的車速傳感器的輸出信號(hào)為頻率信號(hào)。范圍在10Hz。lOOkHz內(nèi)。因此，如何在10Hz～100kHz范圍內(nèi)精確測(cè)量頻率信號(hào)，是整車測(cè)試及車速測(cè)量中的一個(gè)重要問(wèn)題。

傳統(tǒng)車速測(cè)量，一般采用測(cè)頻法或測(cè)周法。由于其方法本身固有的缺陷，傳統(tǒng)車速測(cè)量系統(tǒng)存在著當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率變化范同較大時(shí)，精度比較低的缺點(diǎn)。本文介紹了傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的問(wèn)題，分析了多周期同步測(cè)頻方法如何解決這一個(gè)問(wèn)題，并且給出了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的車速測(cè)量系統(tǒng)的具體方案，以及利用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的實(shí)際結(jié)果。

1 測(cè)試方法及測(cè)試原理

1．1傳統(tǒng)測(cè)量方法

傳統(tǒng)測(cè)量頻率有二種方法：一種方法是計(jì)數(shù)器測(cè)頻法(簡(jiǎn)稱測(cè)頻法)。該方法是將被測(cè)頻率信號(hào)fx加到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端．使計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Tc1內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。其誤差主要來(lái)源于計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)而引起±l誤差，因此計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻法產(chǎn)生的誤差為：

第二種方法是計(jì)數(shù)器測(cè)周法(簡(jiǎn)稱測(cè)周法)。該方法將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fc2送到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，使被測(cè)頻率信號(hào)fx控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間Tz。計(jì)數(shù)器測(cè)周法產(chǎn)生的±1誤差為：

由(1)(2)式可知，在同樣的時(shí)間Tc內(nèi)，測(cè)頻法的±1誤差隨被測(cè)頻率的減小而增大，而測(cè)周法的誤籌則隨被測(cè)頻率的增大而增大。因此，通常測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)采用測(cè)頻法，而測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)采用測(cè)周法。但是無(wú)論哪種方法，都只能在一定程度上減小誤差而不能消除誤差。并且，對(duì)于頻率變化范圍較大的被測(cè)信號(hào)，二種方法都不能滿足高精度測(cè)量的要求。

1．2多周期同步測(cè)頻法

在直接測(cè)頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展的多周期同步測(cè)頻法，在目前的測(cè)頻領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在多周期同步測(cè)頻法中，閘門時(shí)間不是同定值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)同步。

首先，由單片機(jī)給出閘門開啟信號(hào)，但此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，而等糾被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)，產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)同步的實(shí)際閘門信號(hào)時(shí)．兩組計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)。兩組計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置閘門信號(hào)關(guān)閉后，計(jì)數(shù)器也并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)上升沿到米的時(shí)刻才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。因此．實(shí)際閘門時(shí)間與設(shè)定閘門時(shí)間并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過(guò)被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。計(jì)數(shù)器的開啟和關(guān)閉與被測(cè)信號(hào)是同步的，即閘門中包含整數(shù)個(gè)被測(cè)信號(hào)周期，因此不存在對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)的±l量化誤差。被測(cè)信號(hào)的頻率計(jì)算方法為：

其中，Nx——被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值；N0——標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值；f0——標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率

由(3)式可得，多周期同步測(cè)頻法產(chǎn)生的誤差為：

由上述分析可知，多周期同步測(cè)頻法不存在對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)的誤差，測(cè)量相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)頻率大小兄關(guān)，僅與閘門時(shí)間及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率大小有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)增大閘門時(shí)間或提高標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，來(lái)提高測(cè)量精度。當(dāng)閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率確定后，測(cè)量相對(duì)精度也確定，即在被測(cè)信號(hào)的整個(gè)頻段內(nèi)測(cè)量的精度相同。因此測(cè)頻范圍在理論上不受限制。

綜上所述，欲實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻段內(nèi)的高精度頻率測(cè)量，應(yīng)采用多周期同步測(cè)頻法。

2 多周期同步測(cè)頻法車速測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

車速測(cè)量系統(tǒng)的核心是單片機(jī)測(cè)頻模塊，測(cè)頻模塊將測(cè)量出的信號(hào)頻率值(或車速值)實(shí)時(shí)傳送給車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線將所測(cè)頻率值(或車速值)與其他整車性能參數(shù)一起傳送給上位計(jì)算機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并顯示。測(cè)量電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。


圖1測(cè)雖電路結(jié)構(gòu)圖

2．1單片機(jī)測(cè)頻模塊的實(shí)現(xiàn)

本模塊采用摩托羅拉M68HCl2單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部具有標(biāo)準(zhǔn)定式模塊(TIM)及輸入捕捉(IC)功能。在IC功能啟用后。TIM模塊運(yùn)行時(shí)，16位的自由定時(shí)器按照設(shè)定的時(shí)鐘頻率循環(huán)計(jì)時(shí)。當(dāng)某個(gè)被測(cè)信號(hào)的設(shè)定邊沿到來(lái)時(shí)，輸入捕捉邏輯立即將自由定時(shí)器的內(nèi)容捕捉到IC／OC寄存器中，其分辨能力高達(dá)lus甚至更高，并設(shè)置中斷請(qǐng)求標(biāo)志，隨后軟件可以響應(yīng)中斷或者根據(jù)標(biāo)志做出處理。因此，利用捕捉中斷功能，可以對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)，將單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，并可利用自由定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

白南運(yùn)行定時(shí)器是TIM的核心部分，其TI作頻率直接決定IC／OC的分辨能力。M68HCl2單片機(jī)內(nèi)部具有鎖相環(huán)功能。因此利用鎖相環(huán)功可將將單片機(jī)內(nèi)部晶振頻率提高很多，實(shí)際應(yīng)用中提高到24MHz，使自由定時(shí)器的頻率達(dá)到12MHz。

綜上所述，將被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)放大整形后，接入單片機(jī)輸入捕捉管腳PORTT0，利用單片機(jī)輸入捕捉中斷功能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)將單片機(jī)內(nèi)部12MHZ時(shí)鐘作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，并通過(guò)16位自由定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)多周期同步測(cè)頻法。其中fo=12MHz，由于ε=±1/f0T ，因此該方法將具有非常高的測(cè)量精度。此外，單片機(jī)具有8個(gè)獨(dú)立的IC／OC通道，M68HCl2單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多路頻率信號(hào)的同H寸測(cè)量。

2．2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括：鎖相環(huán)子程序、預(yù)置閘門時(shí)間子程序、運(yùn)算處理子程序、CAN總線傳輸數(shù)據(jù)子程序等。程序設(shè)計(jì)思路及流程圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用高精度高穩(wěn)定性的頻率信號(hào)源對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，取得了比較精確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量最大相對(duì)誤差小于10-6。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)上位機(jī)調(diào)節(jié)閘門時(shí)間長(zhǎng)短，可以確保本車速測(cè)量系統(tǒng)在10Hz～100kHz頻率范圍內(nèi)的高精度測(cè)量。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，在車上安裝OES一11型光電式速度傳感器，并將輸出信號(hào)(頻率范圍在10-35kHz內(nèi))接入本車速測(cè)量系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行0—150km/h勻等速與加減速實(shí)驗(yàn)，0．5ms測(cè)量并記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試曲線如圖3所示，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況相符合。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)際整車測(cè)試。


圖2測(cè)量程序流程圖


圖3 0—150km／h勻等速與加減速實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

多周期同步測(cè)頻法與傳統(tǒng)測(cè)頻法或測(cè)周法相比，能夠消除誤差。實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻段內(nèi)的等精度測(cè)量。利用該方法設(shè)計(jì)的車速測(cè)量系統(tǒng)，充分發(fā)揮單片機(jī)本身的功能特點(diǎn)，可完成高精度測(cè)頻。同時(shí)，上位機(jī)可以任意控制閘門時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量速度與測(cè)量精度要求。經(jīng)驗(yàn)證，本車速測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際整車測(cè)試中，取得了精度較高的令人滿意的測(cè)試結(jié)果。