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在評價汽車性能的整車測試實驗中，車速測量是基礎。通常，在整車測試實驗中使用的車速傳感器的輸出信號為頻率信號。范圍在10Hz。lOOkHz內。因此，如何在10Hz～100kHz范圍內精確測量頻率信號，是整車測試及車速測量中的一個重要問題。 傳統車速測量，一般采用測頻法或測周法。由于其方法本身固有的缺陷，傳統車速測量系統存在著當被測信號的頻率變化范同較大時，精度比較低的缺點。本文介紹了傳統測量方法存在的問題，分析了多周期同步測頻方法如何解決這一個問題，并且給出了用單片機實現的車速測量系統的具體方案，以及利用該系統進行測量的實際結果。 1 測試方法及測試原理 1．1傳統測量方法 傳統測量頻率有二種方法：一種方法是計數器測頻法(簡稱測頻法)。該方法是將被測頻率信號fx加到計數器的計數輸入端．使計數器在標準時間Tc1內進行計數。其誤差主要來源于計數器只能進行整數計數而引起±l誤差，因此計數器直接測頻法產生的誤差為： 
第二種方法是計數器測周法(簡稱測周法)。該方法將標準頻率信號fc2送到計數器的計數輸入端，使被測頻率信號fx控制計數器的計數時間Tz。計數器測周法產生的±1誤差為：
由(1)(2)式可知，在同樣的時間Tc內，測頻法的±1誤差隨被測頻率的減小而增大，而測周法的誤籌則隨被測頻率的增大而增大。因此，通常測量高頻信號時采用測頻法，而測量低頻信號時采用測周法。但是無論哪種方法，都只能在一定程度上減小誤差而不能消除誤差。并且，對于頻率變化范圍較大的被測信號，二種方法都不能滿足高精度測量的要求。 1．2多周期同步測頻法 在直接測頻法的基礎上發展的多周期同步測頻法，在目前的測頻領域中得到越來越多的應用。在多周期同步測頻法中，閘門時間不是同定值，而是被測信號周期的整數倍，即與被測信號同步。 首先，由單片機給出閘門開啟信號，但此時計數器并不開始計數，而等糾被測信號的上升沿到來，產生與被測信號同步的實際閘門信號時．兩組計數器才真正開始計數。兩組計數器分別對被測信號和標準頻率脈沖信號計數。當預置閘門信號關閉后，計數器也并不立即停止計數，而是等到被測信號上升沿到米的時刻才真正結束計數，完成一次測量過程。因此．實際閘門時間與設定閘門時間并不嚴格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。計數器的開啟和關閉與被測信號是同步的，即閘門中包含整數個被測信號周期，因此不存在對被測信號計數的±l量化誤差。被測信號的頻率計算方法為：
其中，Nx——被測信號的計數值；N0——標準信號的計數值；f0——標準信號的頻率 由(3)式可得，多周期同步測頻法產生的誤差為：
由上述分析可知，多周期同步測頻法不存在對被測信號計數的誤差，測量相對誤差與被測信號頻率大小兄關，僅與閘門時間及標準頻率信號的頻率大小有關。可以通過增大閘門時間或提高標準頻率信號，來提高測量精度。當閘門時間和標準頻率確定后，測量相對精度也確定，即在被測信號的整個頻段內測量的精度相同。因此測頻范圍在理論上不受限制。 綜上所述，欲實現整個頻段內的高精度頻率測量，應采用多周期同步測頻法。 2 多周期同步測頻法車速測量系統的實現 車速測量系統的核心是單片機測頻模塊，測頻模塊將測量出的信號頻率值(或車速值)實時傳送給車載CAN總線網絡，CAN總線將所測頻率值(或車速值)與其他整車性能參數一起傳送給上位計算機，進行實時記錄并顯示。測量電路結構圖如圖1所示。
圖1測雖電路結構圖 2．1單片機測頻模塊的實現 本模塊采用摩托羅拉M68HCl2單片機。該單片機內部具有標準定式模塊(TIM)及輸入捕捉(IC)功能。在IC功能啟用后。TIM模塊運行時，16位的自由定時器按照設定的時鐘頻率循環計時。當某個被測信號的設定邊沿到來時，輸入捕捉邏輯立即將自由定時器的內容捕捉到IC／OC寄存器中，其分辨能力高達lus甚至更高，并設置中斷請求標志，隨后軟件可以響應中斷或者根據標志做出處理。因此，利用捕捉中斷功能，可以對被測頻率信號進行計數。同時，將單片機內部時鐘作為標準頻率信號，并可利用自由定時器進行計數。 白南運行定時器是TIM的核心部分，其TI作頻率直接決定IC／OC的分辨能力。M68HCl2單片機內部具有鎖相環功能。因此利用鎖相環功可將將單片機內部晶振頻率提高很多，實際應用中提高到24MHz，使自由定時器的頻率達到12MHz。 綜上所述，將被測頻率信號經放大整形后，接入單片機輸入捕捉管腳PORTT0，利用單片機輸入捕捉中斷功能對被測信號進行計數，同時將單片機內部12MHZ時鐘作為標準頻率信號，并通過16位自由定時器進行計時，即可實現多周期同步測頻法。其中fo=12MHz，由于ε=±1/f0T ，因此該方法將具有非常高的測量精度。此外，單片機具有8個獨立的IC／OC通道，M68HCl2單片機可以實現多路頻率信號的同H寸測量。 2．2系統程序設計 系統程序主要包括：鎖相環子程序、預置閘門時間子程序、運算處理子程序、CAN總線傳輸數據子程序等。程序設計思路及流程圖如圖2所示。 3 實驗結果 利用高精度高穩定性的頻率信號源對本系統進行標定，取得了比較精確的測量結果。測量最大相對誤差小于10-6。經實驗驗證，通過上位機調節閘門時間長短，可以確保本車速測量系統在10Hz～100kHz頻率范圍內的高精度測量。 實際實驗中，在車上安裝OES一11型光電式速度傳感器，并將輸出信號(頻率范圍在10-35kHz內)接入本車速測量系統，在轉鼓實驗臺上進行0—150km/h勻等速與加減速實驗，0．5ms測量并記錄一次實驗數據，測試曲線如圖3所示，測量結果與實際情況相符合。測試結果表明，本系統具有測量精度高、測量范圍大、抗干擾性強等優點，適用于實際整車測試。
圖2測量程序流程圖
圖3 0—150km／h勻等速與加減速實驗 4 結論 多周期同步測頻法與傳統測頻法或測周法相比，能夠消除誤差。實現整個頻段內的等精度測量。利用該方法設計的車速測量系統，充分發揮單片機本身的功能特點，可完成高精度測頻。同時，上位機可以任意控制閘門時間，實現不同的測量速度與測量精度要求。經驗證，本車速測量系統在實際整車測試中，取得了精度較高的令人滿意的測試結果。 本文作者的創新之處：利用單片機開發了基于多周期同步測頻法的高精度車速測量系統，克服了以往車速測量系統中被測信號范圍較大時精度低的缺點，并將該車速測量系統運用于實際車速測試試驗。 作者：陳凌峰，盧青春 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
