时频参数测量中存储容量的压缩方法

    摘要：介绍一种单片机测量时频参数时的数据处理方法，即线性地址变换法。在存储容量有效压缩的基础上，进一步分析采样数据，用软件实现可控时标，保证测量精度。

    关键词：测量 频率 周期 单片机 存储容量

在智能仪表、网络通讯、过程控制等测控系统应用中，经常需要对脉冲信号的频率（或周期）进行精确测量。常用的方法是被测信号作为闸门信号，而且一个标准频率信号作为填充脉冲，在闸门周期内对标准频率信号计数，如何压缩数据存储量，是本文要解决的主要问题。

1 基于单片机系统的时频参数测量

当采用单片机微处理器测量信号频率（周期）时，定时器T0工作在计数方式，定时器T1工作在定时方式，T1向外部发固定频率的脉冲（时标），T0对时标进行计数。被测脉冲信号产生一个外部中断控制信号，向CPU发出一个中断请求，CPU响应中断，在中断服务程序中把T0的计数值读入数据存储器，数据转移完成后，使T0复位，重新计数，开始新的周期测量，其测量原理如图2所示。

2 线性地址变换

单片机把计数值读入存储器，是把每一个测出的周期值Ti按其时间先后顺序存入存储器中。这样，测量出的每一个Ti无论是否相同都要用一个单元来存放，且随着被测信号的平均频率和测量时间t的增长，所需要的存储容量就会增加，即：

存储容量 M=f·t

如被测信号平均频率f=10kHz，则1秒的约需存储容量10KB，10秒约需存储容量100KB。显然，单片机内RAM是不能满足要求的。即使扩充外存，也不宜太大，会有一定的限制。

但实际上，所测出的Ti中，有相当多是相同的。如果把相同的Ti值用一个单元来存放，则可大大压缩存储容量。为此，可采用线性变换的方法，把每个Ti按（1）式转换为单元地址值，并将其内容加1，表示已有一个该Ti值。最后该单元的内容Ni就表示测量中共有Ni个相同的Ti值出现。

存储地址=起始地址+kTi    (1)

式中：起始地址——对应于Ti=0的存储单元地址，根据所选单片机型号任意设定。

    k——变换比，表示出现Ti值的个数Ni用k个字节来存放。

k=1，表示Ti对应的Ni值用2个字节存放。

这样：

存储容量M=存储地址最大值-起始地址值=kTimax    （2）

因此，使用线性地址变换时，存储容量由测量的最大周期Timax决定。且当采用计数方式测Ti值时，若计数时标周期为tc，则计数器测得的Ti值实际上是Ti所包含的tc个数。这样，存储容量可改写为：

存储容量M=Timax/tc (设k=1)    （3）

若规定测量的Timax=10ms,当设置tc=4μs时，M=2.5KB；若要进一步压缩存储容量，可增大tc，如当tc=8μs时，M1.25MB，从而可满足有限存储容量的要求。

单片机进行线性地址变换时，用定时器计数方法测量每一个Ti值，然后用中断服务子程序按（1）式进行地址变换，把Ti值转换为地址单元号，并使该单元内容加1。如把一次采样规定为测n个Ti值，则当把n个Ti采样完后，在存储器从起始地址开始的单元内就直接存放了如图3所示的反映被测脉冲频率波动情况的周期概率分布曲线。图3中Ni为一次采样的n个脉冲周期中出现周期为Ti的次数，Nmax为Ni中的最大值，Tnmax为对应的周期值。

    根据测得的存储数据，由数理统计方法可计算出平均周期T=(∑Ni·Ti)/ ∑Ni，或平均频率f=1/T。

上述数据处理方法既保证了数据采样的信息量又节约了存储空间。较真实地反映了采样期间信号的变化情况。

3 存储容量的压缩与测量精度的保证

上述数据处理方法虽然可用增大时标tc来压缩存储空量，但另一方面则可能使测试的相对误差Δ增大，其最大相对误差Δmax出现在测量区间的低端Timin时：

Δmax=tc/Timin     (4)

考虑测试误差，将（4）式代入（3）式，则存储容量可表示为：

存储容量M=(1/Δmax) ·(Timax/Timin)     (5)

此式表明，考虑测试误差时，要压缩存储容量就要压缩测量区间。若测量范围定为50μs～10ms，则测量区间计算值为：

(Timax/Timin)=(100ms/50μs)=20

如设定Δmax≤0.01，则M≥20KB。

因此，为了将存储容量压缩到2KB左右，又使其Δmax≤0.01，则应压缩测量区间到20以下。

若把整个测量范围分成若干个区间，每个区间以不同的时标进行测试，就可满足Δmax≤0.01，存储容量2～3KB的要求。

上述定标是由软件完成的。采用的方法是先用较大的时标测量一次（称为粗测），然后从概率分布曲线上找到Nmax所对应的Tnmax值，与区间定标界限系数相比较，视其所在区间确定定时器T1的时间常数，输出相应的时标脉冲。自动定标后，以新的时标重新进行测量（称为精测），精测得到的周期概率分布曲线才作为计算和控制的依据。

关于数据采集的软件流程如图4所示。