準(zhǔn)周期信號基2同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘　要：介紹了一款基于單片機(jī)的倍頻電路。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對準(zhǔn)周期信號的整周期同步采樣,具有倍頻精度高、跟蹤速度快、能對準(zhǔn)周期信號進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn);同時介紹了一種周期預(yù)測的方法和原理以及基于PC總線實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)周期信號的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
 
關(guān)鍵詞：準(zhǔn)周期信號 整周期采樣 單片機(jī) 預(yù)測

數(shù)據(jù)采集及其傅立葉分析是信號處理的重要環(huán)節(jié)和基本手段。眾所周知,利用FFT技術(shù)對信號進(jìn)行頻譜分析時,其精度受譜泄漏和柵欄效應(yīng)等因素的制約。理論研究和實(shí)驗(yàn)均表明:對周期或準(zhǔn)周期信號實(shí)行按基頻整周期同步采集2n個數(shù)據(jù),即整周期基2同步采樣,可以減小傅立葉分析中的固有誤差——譜泄漏和柵欄效應(yīng)[1]。

對周期信號,通?？刹捎糜涉i相環(huán)和分頻器組成的鎖相倍頻電路[2],實(shí)現(xiàn)對信號的整周期基2同步采樣。但對周期緩慢變化的準(zhǔn)周期信號,要實(shí)現(xiàn)整周期基2同步采樣,則非易事。本文提出一款基于單片機(jī)周期預(yù)測和補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)周期信號整周期基2同步采樣的倍頻電路。該電路倍頻精度高、跟蹤速度快,能對準(zhǔn)周期信號進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償,在信號處理和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。最后給出了基于PC總線實(shí)現(xiàn)同步采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 準(zhǔn)周期信號基2倍頻電路的實(shí)現(xiàn)

1.1 準(zhǔn)周期信號基2倍頻原理

設(shè)待采集的準(zhǔn)周期信號的頻率為fX,周期TX。為了實(shí)現(xiàn)對輸入信號的整周期同步采樣,要求對輸入信號N倍頻,即產(chǎn)生一個頻率為NfX的A/D采樣脈沖。又設(shè)某基準(zhǔn)時鐘脈沖信號的頻率為f0(f0>>fX),周期為T0,對f0進(jìn)行M分頻后,使其恰好等于輸入待采集周期信號頻率fX的N倍,即: 
式(3)中n=4, 5,…,8。顯然,當(dāng)n的位數(shù)確定后,改變M,使M隨Tx的變化而變化,就能保證整周期基2同步采樣。

1.2 準(zhǔn)周期信號基2倍頻電路的硬件實(shí)現(xiàn)

為了保證對準(zhǔn)周期信號基2整周期同步采樣有較高的精度,筆者提出一款基于雙單片機(jī)的基2倍頻電路如圖1所示。它由過零比較器、二分頻器、單片機(jī)和或門組成,其中單片機(jī)選用AT89C2051,外部晶振頻率為12MHz,內(nèi)部計(jì)數(shù)頻率f0為1MHz,輸入信號fX經(jīng)整形和二分頻后直接與兩單片機(jī)的外中斷相連。圖1中A、B、C、D、E、F、G各點(diǎn)波形如圖2所示。 

 
其工作原理是:在信號的奇周期TX1期間,單片機(jī)(1)定時器T0由輸入信號TX1的上升沿啟動,并對TX1填脈沖計(jì)數(shù), TX1的下降沿關(guān)閉定時器T0;借助單片機(jī)的運(yùn)算功能,確定M值,并利用定時器T1產(chǎn)生頻率為NfX的輸出脈沖信號。定時器T0設(shè)為內(nèi)部計(jì)數(shù)形式,工作方式1(16位計(jì)數(shù),初值為0),GATE位為1,利用外部中斷INT0引腳上的電平TX1,直接啟動和關(guān)閉計(jì)數(shù)器。其計(jì)數(shù)結(jié)果是16位二進(jìn)制數(shù)HL,其中高位為H,低位為L值。

當(dāng)輸入信號頻率較低時,計(jì)數(shù)器T0會溢出觸發(fā)中斷,在中斷服務(wù)程序中使用單片機(jī)內(nèi)部寄存器(R4)記錄中斷次數(shù),以擴(kuò)展計(jì)數(shù)范圍。利用外部中斷引腳上TX1電平的下降沿產(chǎn)生中斷,讀取T0的計(jì)數(shù)值HL和R4的值。通常(3)式中的n可根據(jù)輸入信號的頻率,智能地選取4到8位的二進(jìn)制數(shù),(2)式中的M值由下式給出: 
   
顯然M為16位二進(jìn)制數(shù),因此設(shè)置定時器T1為內(nèi)部計(jì)數(shù)方式,GATE位為1。當(dāng)輸入信號頻率較高時,選工作方式2(8位,初值自動重裝載);當(dāng)輸入信號頻率較低時,選工作方式1(16位)。定時器T1的初值取決于上一奇周期期間測得的M值,當(dāng)計(jì)數(shù)溢出中斷時,在中斷服務(wù)程序中使P1.0輸出電平翻轉(zhuǎn),即獲得fX的N倍頻的方波信號。

同理,可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)(2)在偶周期TX2期間,輸出N倍頻的方波信號?？梢姰?dāng)輸入單片機(jī)的外部信號fX每產(chǎn)生一個周期脈沖,在其輸出端就會有N個輸出脈沖,用輸出脈沖去觸發(fā)A/D板卡采樣,即實(shí)現(xiàn)了N倍頻的整周期采樣。

1.3 準(zhǔn)周期信號的周期預(yù)測

上述方法實(shí)現(xiàn)整周期采樣時,是把這一周的周期值作為下一周的周期來計(jì)算采樣脈沖輸出頻率的。對周期性信號,周期固定不會影響結(jié)果;但對準(zhǔn)周期信號,周期是漸變的,會帶來較大的誤差。為了減少或補(bǔ)償這種誤差,本設(shè)計(jì)借助單片機(jī)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能,分別對下一周期進(jìn)行周期預(yù)測。即利用前m個周期的T值,對下一個周期作出預(yù)測,再以預(yù)測的M來設(shè)置定時器T1的初值。用拉格朗日線性插值法可預(yù)測周期[3],如圖3所示。提取最近兩周的周期值,推算下一周的周期值。 

  
  
圖3中Tj為第j周終了時刻測得的周期值,Tj-1為第j-1周終了時刻測得的周期值,Tj+1為要預(yù)估的下一周終了時刻的周期值,則可得預(yù)估公式: 
    
2 基于PC總線控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于PC總線的同步采樣系統(tǒng)框圖見圖4,它主要由地址譯碼器、單片機(jī)倍頻電路、A/D轉(zhuǎn)換器組成。各模塊功能如下:
    
地址譯碼: PC機(jī)中用戶可使用0300H～031FH地址,采用與非門74LS133對PC總線的地址信號A0～A9譯碼,端口地址為030EH和030FH。

單片機(jī)倍頻電路:產(chǎn)生同步信號進(jìn)行同步采樣,保證信號截?cái)嚅L度正好是信號周期的整數(shù)倍。

A/D轉(zhuǎn)換器:采用AD678芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD678是帶采樣保持器的12位A/D轉(zhuǎn)換器,其精度為2-12=1/4096=0.024%,轉(zhuǎn)換時間為5μs,其工作速率滿足采樣頻率的要求。

3 性能及誤差分析

(1)輸入信號上下限頻率fxH和fxL的確定
當(dāng)輸入信號頻率較高時,(3)式中的n取4位二進(jìn)制,考慮到單片機(jī)的中斷響應(yīng)時間需要3～8個T0,因此由(2)式可求得:
    
(2)誤差分析
根據(jù)(5)式估算的周期值,如果準(zhǔn)周期信號的周期變化是均勻的,即遵從勻變速規(guī)律,由此引入的誤差為0;如果周期變化是非均勻的,則仍會帶來一定誤差。在許多實(shí)際應(yīng)用場合(如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的起停過程)周期主要是勻變速或接近勻變速,而少許的偏離經(jīng)(5)式的修正后影響很小。其它的計(jì)數(shù)誤差和單片機(jī)中斷引起的誤差,可看作系統(tǒng)誤差,由單片機(jī)修正。
 
本文介紹的準(zhǔn)周期信號同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),借助單片機(jī)的周期預(yù)測功能,對準(zhǔn)周期信號智能倍頻,從而實(shí)現(xiàn)整周期基2同步采樣,進(jìn)而大大消除頻譜分析中的泄漏誤差和柵欄效應(yīng),在機(jī)械故障診斷、信號測試等相關(guān)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)
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2 吳炳超,劉會金,王茂海.基于PC總線控制的帶鎖相環(huán)的多路數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)[J].
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3 胡勁松,吳昭同,嚴(yán)洪標(biāo).提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號整周期采樣精度的一種方法[J].
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