单片机频率测量原理

单片机应用系统中，常常要对一个持续的脉冲波频率进行丈量。在实际应用中，关于转速，位移、速度、流量等物理量的丈量，普通也是由 传感器转换成脉冲电信号，采取丈量频率的手段完成。

应用单片机丈量频率或周期，通常是利用单片机的定时计数器来完成的，丈量的基本办法和原理有两种：

测频法：在限制的时间内（如1秒钟）检测脉冲的个数。

测周法：测试限制的脉冲个数之间的时间。

这两种办法虽然原理是一样的，但在实际应用时，需求依据待测频率的范围、系统的时钟周期、计数器的长度、和所请求的丈量精度等因素进行整体和详细的考虑，寻觅和设计出适合详细请求的丈量办法。

在详细频率的丈量中，需求考虑和留意的因素有以下几点。

ü 系统的时钟。首先丈量频率的系统时钟自己精度要高，缘由是不顾是限制丈量时间还是丈量限制脉冲个数的周期，其基本的时间基准是系统自己时钟产生的。其次是系统时钟的频率值，缘由是系统时钟频率越高，能够完成频率丈量的精度也越高。所以应用AVR丈量频率时，建议应用由外部晶体构成的系统的振荡电路，不应用其内部的RC振荡源，同时尽也许应用频率比较高的系统时钟。

ü 所应用定时计数器的位数。丈量频率要应用定时计数器，定时计数器的位数越长，能够产生的限制时间越长，或在限制时间里记载的脉冲个数越多，所以也提升了频率丈量的精度。所以对频率丈量精度有必定请求时，尽也许采取16位的定时计数器。

ü 被测频率的范围。频率丈量需求依据被测频率的范围选择丈量的方法。当被测频率的范围比较低时，最好采取测周期的办法丈量频率。而被测频率比较高时，应用测频法比较适合。需求留意的是，被测频率的最高值普通不能够超出测频MCU系统时钟频率的1/2，缘由是当被测频率高于MCU时钟1/2后，MCU常常不能够准确检测被测脉冲的电平变化了。

除过以上三个因素外，还要考虑频率丈量的频度（每秒内丈量的次数），如何与系统中其它任务处置之间的调和工作等。频率丈量精度请求高时，还应当考虑其它中止和中止呼应时间的影响，甚至需求在软件中考虑采取屡次丈量取平均的算法等。

采取测频法的频率计设计与完成

1） 硬件电路

硬件电路的显示部分，PA口为8个LED数码管的段输出，PC口控制8个LED数码管的位扫描。应用T/C0对被测信号输入的脉冲个数进行计数，被测频率信号由PB0（T0）输入。

2） 软件设计

我们首先给出系统程序，然后做必要的说明。

/*********************************************

File name : demo_11_1.c

Chip type : ATmega16

Program type : Application

Clock frequency : 4.000000 MHz

Memory model : Small

External SRAM size : 0

Data Stack size : 256

*********************************************/

#include <mega16.h>

flash char led_7[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};

flash char position[8]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

char dis_buff[8]; // 显示缓冲区，寄存要显示的8个字符的段码值

char posit;

bit time_1ms_ok,display_ok=0;

char time0_old,time0_new,freq_time;

unsigned int freq;

void display(void) // 8位LED数码管动态扫描函数

{

PORTC = 0xff;

PORTA = led_7[dis_buff[posit]];

if (posit==5) PORTA = PORTA | 0x80;

PORTC = position[posit];

if (++posit >=8 ) posit = 0;

}

// Timer 2 output compare interruptservice routine

interrupt [TIM2_COMP] void timer2_comp_isr(void)

{

time0_new = TCNT0; // 1ms到，记载如今T/C0的计数值

time_1ms_ok = 1;

display_ok = ~display_ok;

if (display_ok) display();

}

void freq_to_disbuff(void) // 将频率值转化为BCD码并送入显示缓冲区

{

char i,j=7;

for (i=0;i<=4;i++)

{

dis_buff[j-i] = freq % 10;

freq = freq / 10;

}

dis_buff[2] = freq;

}

void main(void)

{

char i;

DDRA=0xFF; // LED数码管驱动

DDRC=0xFF;

// T/C0初始化，外部计数方法

TCCR0=0x06; // 外部T0脚降低沿触发计数，普通形式

TCNT0=0x00;

OCR0=0x00;

// T/C2初始化

TCCR2=0x0B; // 内部时钟，32分频（4M/32=125KHz），CTC形式

TCNT2=0x00;

OCR2=0x7C; // OCR2 = 0x7C(124),(124+1)/125=1ms

TIMSK=0x80; // 许可T/C2比较配套中止

for (i=0;i<=7;i++) dis_buff[i] = 0;

time0_old = 0;

#asm("sei") // 开放全局中止

while (1)

{

if (time_1ms_ok)

{ // 累计T/C0的计数值

if (time0_new >= time0_old) freq = freq + (time0_new - time0_old);

else freq = freq + (256 - time0_old + time0_new);

time0_old = time0_new;

if (++freq_time >= 100)

{

freq_time = 0; // 100ms到，

freq_to_disbuff(); // 将100ms内的脉冲计数值送显示

freq = 0;

}

time_1ms_ok = 0;

}

};

}

程序中LED扫描形式函数desplay()，和脉冲计数值转换成BCD码并送显示缓冲区函数freq_to_disbuff()比较简单，请读者自己分析。

在该程序中，应用了两个定时计数器。T/C0工作在计数器方法，对外部T0引脚输入的脉冲信号计数（降低沿触发）。T/C2工作在CTC方法，每隔1ms中止一次，该定不时间即作为LED的显示扫描，同时也是限制时间的基时。每次T/C2的中止中，都首先记载下T/C0寄存器TCNT0如今的计数值，所以前后两次TCNT0的差值(time0_new – time0_old)或(256 - time0_old + time0_new)就是1ms时间内T0脚输入的脉冲个数。为了提升丈量精度，程序对100个1ms的脉冲个数进行了累计（在变量freq中），即已知限制的时间为100ms。

读者还应当留意频率的持续丈量与LED扫描、BCD码转换之间的调和问题。T/C2中止距离为1ms，所以在1ms时间内，程序必须将脉冲个数进行的累计、BCD码转换和送入显示缓冲区，和LED的扫描工作完成掉，不然就会影响到下一次中止到来后的处置。

在本实例的T/C2中止中，应用了display_ok标记，将LED扫描分配在奇数ms（1、3、5、7、……），而将1ms的TCNT0差值计算、积累和转换等处置放在主程序中完成。另外因为计算量大的BCD码转换是在偶数ms（100ms）处置，所以程序中LED的扫描处置和BCD码转换处置不会同时进行（不会在两次中止距离的1ms内同时处置LED扫描和BCD码转换），这就保障了在下一次中止达到时，前一次的处置已经所有完成，使频率的持续丈量不受影响。

该实例程序的性能和指标为（假定系统时钟没有误差 = 4MHz）：

ü 频率丈量绝对误差：±10Hz。因为限制的时间为100ms，并且T/C0的计数值有±1的误差，换算成频率为±10Hz。

ü 被测最高频率值：255KHz。因为T/C0的长度8位，所以在1ms中，TO输入的脉冲个数应小于255个，大于255后形成T/C0的自动清另，丧失脉冲个数。

ü 丈量频度：10次/秒。限制的时间为100ms，持续丈量，所认为10次/秒。

ü 应用资源：两个定时器，一个中止。

原文链接：http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2016090128993.html