一款基于单片机的基2同步数据采集系统设计

同理，可实现单片机(2)在偶周期Tx2期间，输出N倍频的方波信号。可见当输入单片机的外部信号?x每产生一个周期脉冲，在其输出端就会有N个输出脉冲，用输出脉冲去触发A/D板卡采集，即实现了N倍频的整周期采样。 1.3 准周期信号的周期预测 上述方法实现整周期采样时，是把这一周的周期值作为下一周的周期来计算采样脉冲输出频率的。对周期性信号，周期固定不会影响结果;但对准周期信号，周期是渐变的，会带来较大的误差。为了减少或补偿这种误差，本设计借助单片机的运算和数据处理功能，分别对下一周期进行周期预测。即利用前m个周期的T值，对下一个周期作出预测，再以预测的M来设置定时器T1的初值。用拉格朗日线性插值法可预测周期[3]，如图3所示。提取最近两周的周期值，推算下一周的周期值。 图3中Tj为第j周终了时刻测得的周期值，Tj-1为第j-1周终了时刻测得的周期值，Tj+1为要预估的下一周终了时刻的周期值，则可得预估公式： Tj+1=2Tj-Tj-1=Tj%26;#177;ΔTj (5) 由此可得： Mj+1=2Mj-Mj-1=Mj%26;#177;ΔMj (6) 2 基于PC总线控制的数据采集系统 基于PC总线的同步采样系统框图见图4，它主要由地址译码器、单片机倍频电路、A/D转换器组成。各模块功能如下： 地址译码：PC机中用户可使用0300H～031FH地址，采用与非门74LS133对PC总线的地址信号A0～A9译码，端口地址为030FH和 030FH。 单片机倍频电路：产生同步信号进行同步采样，保证信号截断长度正好是信号周期的整数倍。 A/D转换器：采用AD678芯片实现模数转换。AD678是带采样保持器的12位A/D转换器，其精度为2-12=1/4096=0.024%，转换时间为5μs，其工作速率满足采样频率的要求。 3 性能及误差分析 (1)输入信号上下限频率fxH和fxL的确定 当输入信号频率较高时，(3)式中的n取4位二进制，考虑到单片机的中断响应时间需要3～8个T0，因此由(2)式可求得： Txmin=8х24T0+TP=128μs+TP (7) 式(7)中的TP为单片机周期预测所需的时间，设约为72μs。

当输入信号频率较低时，(3)式中的n取8位二进制，(4)式中的M可取16位二进制的最大值，因此由(2)式可求得： Txmax=28х216T0≈16s (8) 则由(7)、(8)两式可确定： fxH≤5kHz和fxH≥0.1Hz (2)误差分析 根据(5)式估算的周期值，如果准周期信号的周期变化是均匀的，即遵从匀变速规律，由此引入的误差为0;如果周期变化是非均匀的，则仍会带来一定误差。在许多实际应用场合(如旋转机械的起停过程)周期主要是匀变速或接近匀变速，而少许的偏离经(5)式的修正后影响很小。其它的计数误差和单片机中断引起的误差，可看作系统误差，由单片机修正。 本文介绍的准周期信号同步数据采集系统，借助单片机的周期预测功能，对准周期信号智能倍频，从而实现整周期基2同步采样，进而大大消除频谱分析中的泄漏误差和栅栏效应，在机械故障诊断、信号测试等相关领域具有很强的实用性。