可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统、测量方法与流程

本发明涉及脉冲信号采集处理的技术领域，尤其涉及可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统、测量方法；更具体地，涉及一种信号类型为方波信号、阈值范围可配置、脉冲信号频率范围是1hz～10khz，对应的可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统、测量方法。

背景技术：

脉冲信号是传感器以及检测仪表中应用较多的信号形式，所以对脉冲信号的检测对工业控制过程显得非常重要。例如，中国专利申请号为201010609782.0的专利中公开了一种，利用了现代单片微处理器的定时器中比较器单元与捕捉器单元的硬件功能，实现对脉冲信号周期测量方法。

另一份中国专利申请号为200920247176.1的专利申请中还公开了一种脉冲信号频率电子自动记录仪，可记录并统计随机脉冲信号的频率。

但是发明人在实现本发明的过程中发现：现有技术一般仅针对测频或者计数功能实现其中一种；而且对于精准频率计算都采用m法、t法或者m/t法混合，计算方法相对复杂，对单片机性能要高求；对于输入信号的范围也有严格的要求，一般都是经过调理后的弱信号。因此本领域技术人员迫切开发出一种能够脉冲信号测量达到以下目的的技术方案：

一、在一个系统中通过软件指令配置实现脉冲计数和测频功能的切换；

二、对单片机性能要求低，适用于工业控制领域，应用简单计算方法实现快速有效采集；

三、硬件电路设计输入信号电压阈值范围广泛，可根据不同电压范围进行配置。

需要说明的是，上述内容仅仅是为了本领域技术人员更加容易理解本申请而进行的阐述，并非全部属于现有技术；尤其是上述解释中提及本领域技术人员希望脉冲信号测量达到目的相关的内容，属于本专利申请

技术实现要素：
的一部分。

发明内容

为了解决现有技术中脉冲信号测量功能单一和对硬件要求高的技术问题，本发明提供一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统、测量方法，能够实现脉冲计数和测频功能的切换，且对硬件要求不高，适用范围广。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：

本发明一方面提供一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统，其特征在于，包括：

控制指令接收模块，设置成能够接收输出脉冲信号频率或输出脉冲信号计数指令；

数据处理模块，设置成获取预定数量的数据包对应的计数值；当所述控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号计数指令时，按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z；当所述控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号频率指令时，按照第二预定算法计算当前脉冲信号频率f；

其中，当所述预定数量包的个数n，第n个数据包的计数值为cn，n和n分别为正整数；并且：

所述第一预定算法为：zn＝cn-cn-1；

所述第二预定算法为：

本发明实施例优选地，当所述控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号计数指令时，所述测量系统处于计数模式，并将按照第一预定算法计算所述脉冲信号计数值z之后，上传所述当前脉冲信号计数值z，当前计数值为指定值时，自动清零，从零开始重新计数。

本发明实施例优选地，所述数据处理模块预定时间内重新获取一次数据包，并将最早接收的数据包剔除掉，然后将最新的数据包作为第n个数据包，且最新的数据包计数值为cn，之前第n个数据包为第n-1个数据包，且之前第n个数据包的计数值为cn-1。

本发明实施例优选地，所述控制指令接收模块和所述数据处理模块分别设置在单片机内，所述单片机还设置有并行总线接口，所述并行总线接收能够接收来自cpld中并行总线接口发送数据包对应的计数值；并且所述cpld通过内部的定时中断模块每隔预定时长向所述单片机发送一次中断信号。

本发明实施例优选地，所述cpld内还设置有对抖动信号进行滤波处理的滤波模块，以及与所述滤波模块连接的计数模块，所述计数模块设置成将所述滤波模块处理后的信号通过16位的计数模块进行计数处理；并且定时中断模块设置的预定时长到达时，所述单片机通过并行总线接收来自所述计数模块处理后数据包对应的计数值。

本发明实施例优选地，待测量脉冲信号经过直流滤波、整形、隔离后，才输入至所述cpld。

本发明另一方面还提供一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量方法，其特征在于，包括：

s1、接收输出脉冲信号频率或输出脉冲信号计数指令；

s2、获取预定数量的数据包对应的计数值；

s3、当所述控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号计数指令时，按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z；当所述控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号频率指令时，按照第二预定算法计算当前脉冲信号频率f；

其中，当所述预定数量包的个数n，第n个数据包的计数值为cn，n和n分别为正整数；并且：

所述第一预定算法为：zn＝cn-cn-1；

所述第二预定算法为：

本发明实施例优选地，所述方法还包括：接收到需要输出脉冲信号计数指令时，所述测量系统处于计数模式，并将按照第一预定算法计算所述脉冲信号计数值z之后，上传所述当前脉冲信号计数值z，当前计数值为指定值时，自动清零，从零开始重新计数。

本发明实施例优选地，所述方法还包括：预定时间内重新获取一次数据包，并将最早接收的数据包剔除掉，然后将最新的数据包作为第n个数据包，且最新的数据包计数值为cn，之前第n个数据包为第n-1个数据包，且之前第n个数据包的计数值为cn-1。

本发明实施例优选地，所述步骤s1之前还包括：对所述脉冲信号中的抖动信号进行滤波处理，并将所述滤波模块处理后的信号通过16位的计数模块进行计数处理；并且预定时长到达时，执行所述步骤s2：接收处理后数据包对应的计数值。

采用本申请提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种：

1、通过输入期望的指令，可选择性输出脉冲信号频率与计数，即当需要输出脉冲信号频率时，输入期望得到脉冲信号频率的指令，当需要输出脉冲信号计数结果时，输入期望得到脉冲信号计数的指令；这样可以方便、快速地得到两种结果中的任意一种。

2、计算方法简单，可移植性强；对单片机性能要求低，适用于工业控制领域，应用简单计算方法实现快速有效采集，尤其能够满足核电站dcs脉冲流量计和电量信号的测量需求。

3、阈值输入范围广，可根据硬件电路设计不同的阈值范围；例如，硬件电路设计上，通过焊接不同稳压值的钳位二极管，以及相应的阻容配比电路，可以实现不同阈值电压信号的采集。

4、数据采集的过程中，可以通过中断信号自动采集，并且按照预定算法，自动更新最新的计算结果，整个过程自动进行，测试效率高。

发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统的内部框图。

图2为本发明实施例一提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量方法的流程图。

图3为本发明实施例二提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统的硬件设计示意图。

图4为本发明实施例二提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统中cpld和mcu的连接示意图。

图5为本发明实施例二提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统中cpld内部处理流程图。

图6为本发明实施例二提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统中mcu内部处理流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控制系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：

实施例

如图1所示，本实施例提供一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统，该测量系统包括：

控制指令接收模块110，设置成能够接收输出脉冲信号频率或输出脉冲信号计数指令；即当需要输出脉冲信号频率时，输入期望得到脉冲信号频率的指令，当需要输出脉冲信号计数结果时，输入期望得到脉冲信号计数的指令；而控制指令接收模块110需要接收并识别出具体的指令信号；

数据处理模块120，设置成获取预定数量的数据包对应的计数值；当控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号计数指令时，按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z；当控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号频率指令时，按照第二预定算法计算当前脉冲信号频率f；其中，本实施例中的″第一″和″第二″仅仅是为了区分两种不同的算法，本领域技术人员可以将两种算法的顺序进行调整；

其中，当预定数量包的个数n，第n个数据包的计数值为cn，n和n分别为正整数；并且：

第一预定算法为：zn＝cn-cn-1；(公式一)

第二预定算法为：

优选地，每次计算过程中，数据处理模块120需要获取50包计数值，假设第一包计数值是c1，第二包计数值是c2，依次类推c3，c4...c50。脉冲信号计数值z0＝0，z1＝c2-c1...z50＝c50-c49；当需要计算当前脉冲信号频率f时，按照上述公式二计算即可得到。

本实施例优选地，当控制指令接收模块110接收到需要输出脉冲信号计数指令时，测量系统处于计数模式，并将按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z之后，上传当前脉冲信号计数值z，当前计数值为指定值时，自动清零，从零开始重新计数。进一步优选地，指定值为0xffff。

本实施例优选地，数据处理模块120预定时间内重新获取一次数据包，并将最早接收的数据包剔除掉，然后将最新的数据包作为第n个数据包，且最新的数据包计数值为cn，之前第n个数据包为第n-1个数据包，且之前第n个数据包的计数值为cn-1；即n个数据包按照接收时间形成队列，每次更新一个数据包，将最早的数据包剔除，然后形成新的队列，新的队列按照1、2、......n的序号重新编号，并且队列中每个数据包对应的计数值也随着数据包的移动而保持对应。

本实施例优选地，控制指令接收模块和数据处理模块分别设置在单片机内，单片机还设置有并行总线接口，并行总线接收能够接收来自cpld((complexprogrammablelogicdevice，复杂可编程逻辑器件))中并行总线接口发送数据包对应的计数值；并且cpld通过内部的定时中断模块每隔预定时长向单片机发送一次中断信号。

本实施例优选地，cpld内还设置有对抖动信号进行滤波处理的滤波模块，以及与滤波模块连接的计数模块，计数模块设置成将滤波模块处理后的信号通过16位的计数模块进行计数处理；并且定时中断模块设置的预定时长到达时，单片机通过并行总线接收来自计数模块处理后数据包对应的计数值。

进一步优选地，再次获取新数据包时，将z0剔除掉，依次类推，应用新的差值保证当前频率20ms更新。计数模式下，数据发送至数据处理模块120之前，会通过16位计数器编写，并直接在20ms内的计数值存入缓存区，将绝对计数值(cn-cn-1)通过can总线上传，当前计数值为0xffff时，自动清零，从零开始重新计数。

本实施例优选地，待测量脉冲信号经过直流滤波、整形、隔离后，才输入至cpld。

进一步优选地，本实施例中的脉冲信号类型为方波信号，阈值范围可配置，脉冲信号频率范围是1hz～10khz。该测量系统前端采用cpld作为协处理器负责脉冲信号的去抖、滤波及脉冲计数，单片机作为主处理器负责模式配置、数据处理及网络通讯。

本实施例还提供一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量方法，该测量方法包括：

s1、接收输出脉冲信号频率或输出脉冲信号计数指令；即当需要输出脉冲信号频率时，输入期望得到脉冲信号频率的指令，当需要输出脉冲信号计数结果时，输入期望得到脉冲信号计数的指令；而控制指令接收模块110需要接收并识别出具体的指令信号；

s2、获取预定数量的数据包对应的计数值；即在指定时间内，获取预定数量包，并且每个数据包分别对应有相应的计数值；

s3、当控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号计数指令时，按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z；当控制指令接收模块接收到需要输出脉冲信号频率指令时，按照第二预定算法计算当前脉冲信号频率f；

其中，当预定数量包的个数n，第n个数据包的计数值为cn，n和n分别为正整数；并且：

第一预定算法为：zn＝cn-cn-1；

第二预定算法为：

本实施例优选地，上述测量方法还包括：接收到需要输出脉冲信号计数指令时，测量系统处于计数模式，并将按照第一预定算法计算脉冲信号计数值z之后，上传当前脉冲信号计数值z，当前计数值为0xffff时，自动清零，从零开始重新计数。

本实施例优选地，上述测量方法还包括：预定时间内重新获取一次数据包，并将最早接收的数据包剔除掉，然后将最新的数据包作为第n个数据包，且最新的数据包计数值为cn，之前第n个数据包为第n-1个数据包，且之前第n个数据包的计数值为cn-1。

本实施例优选地，步骤s1之前还包括：对脉冲信号中的抖动信号进行滤波处理，并将滤波模块处理后的信号通过16位的计数模块进行计数处理；并且预定时长到达时，执行所述步骤s2：接收处理后数据包对应的计数值。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上进一步细化cpld和mcu(microcontrollerunit，微控制单元，又称单片微型计算机(singlechipmicrocomputer)或者单片机)内部模块和工作过程，对于与实施例一相同的技术方案，在此不再重复赘述。

如图3所示，单片机可配置该装置工作于测频和计数模式；两种模式下，时间基准都是由cpld(complexprogrammablelogicdevice，复杂可编程逻辑器件)的外部晶振提供，除了晶振本身的精度外，无精度损失，对于频率在1khz～10khz范围内测量精度满足±1hz的精度需求。如图3所示，脉冲信号经过直流滤波、整形、隔离后才进入cpld，cpld通过内部编写定时模块每隔20ms向单片机发送中断信号，单片机通过并行总线获取当前计数值。测频模式，通过滑动计算的方式，记录1s内脉冲个数，每隔20ms更新一次数值，方法简单有效；计数模式，直接将当前计数值存储在单片机缓存区，通过网络上传。阈值输入电压信号范围可以通过配比直流滤波电路中钳位二极管稳压值的不同与整形电路中vref(参考电压)进行配合实现；隔离电路主要实现现场与系统之间电气隔离；cpld主要完成20ms定时及计数功能；单片机与cpld应用并行总线进行通信，mcu完成与cpld数据交互、模式配置、频率计算，计数缓存，通讯上传功能。

如图3、图4所示，cpld与mcu接口主要完成数据通讯，cpld内部集成有滤波模块，计数模块，定时中断模块以及并行总线接口模块。cpld内部处理流程如图4所示，20ms定时模块独立运行，滤波模块对抖动信号进行滤波处理，本实施例设计频率采集范围是1～10khz的方波信号，时间小于40us的抖动信号通过滤波模块进行滤除；将经过去抖处理的信号通过16位的计数模块进行计数处理，并在20ms定时时间到达时，通过中断信号，mcu通过并行总线索取cpld内20ms计数值。

mcu接收can总线下发的测频/计数指令。测频模式下，采用滑动滤波的计算方式，mcu先从cpld获取50包计数值，假设第一包计数值是c1，第二包计数值是c2，依次类推c3、c4、......、c50。计数值z0＝0，z1＝c2-c1...z50＝c50-c49，按照上述公式二计算当前脉冲信号频率f，当mcu再次获取新数据包时，将z0剔除掉，依次类推，应用新的差值保证当前频率20ms更新。计数模式下，应用cpld编写16位计数器，mcu直接将cpld内20ms计数值存入缓存区，将计数值(cn-cn-1)通过can总线上传，当前计数值为0xffff时，自动清零，从零开始重新计数。

如图5所示，本实施例提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统中cpld内部处理流程包括：

s102、信号过滤：即cpld内部的滤波模块对抖动信号进行滤波处理，本实施例设计频率采集范围是1～10khz的方波信号，时间小于40us的抖动信号通过滤波模块进行滤除；

s104、脉冲计数：即将经过去抖处理的信号通过16位的计数模块进行计数处理；

s106、判断定时时间是否达到，然后分别执行s108、s110、s112；

s108、当定时时间达到(例如20ms)时，采集数据存入寄存器；当定时时间没有到(例如20ms)时，保持寄存器数据不变；

s110、通过并行总线输出至mcu；即cpld通过并行总线将处理好的数据包计数值输出至mcu；

s112、cpld向mcu输出中断信号。

如图6所示，本实施例提供的提供的一种可选择性输出脉冲信号频率与计数的测量系统中mcu内部处理流程包括：

s202、mcu采集cana总线通讯数据；

s204、mcu采集canb总线通讯数据；

s206、测频与计数模式选择，基于cana总线和canb总线收集相应的指令数据；

s208、判断输入的指令中是否为测频模式？如果是执行计数模式(s210)、否则，执行测频模式(s212)；

s214、读取并行总线上的数据；读取cpld通过并行总线传输的数据，尤其是各个数据包中相应的计数值；

s216、当计数模式时，依次获取多个数据包中对应的计数值，然后执行s220；

s218、当测频模式时，依次获取多个数据包中对应的计数值，然后执行s222；

s220、按照上述公式一计算计算脉冲信号计数值；

s222、按照上述公式二计算计算脉冲信号频率值；

s224、将计算结果通过can总线上传。

本发明实施例提供的技术方案，能够将脉冲频率测量与计数在一个系统上实现，并且通过软件指令配置的方式进行切换；同时，硬件电路设计上，通过焊接不同稳压值的钳位二极管，以及相应的阻容配比电路，可以实现不同阈值电压信号的采集；本发明实施例中的技术方案用于测量频率以及脉冲计数，方法简单，满足核电站dcs脉冲流量计和电量信号的测量需求，根据现有mcu运行周期，滑动滤波时间仍可以缩短1/2，但现有系统已经足够，这种性能上的提高，对于其它后续设计可做参考。

并且采用本申请提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种：

1、通过输入期望的指令，可选择性输出脉冲信号频率与计数，即当需要输出脉冲信号频率时，输入期望得到脉冲信号频率的指令，当需要输出脉冲信号计数结果时，输入期望得到脉冲信号计数的指令；这样可以方便、快速地得到两种结果中的任意一种。

2、计算方法简单，可移植性强；对单片机性能要求低，适用于工业控制领域，应用简单计算方法实现快速有效采集，尤其能够满足核电站dcs脉冲流量计和电量信号的测量需求。

3、阈值输入范围广，可根据硬件电路设计不同的阈值范围；例如，硬件电路设计上，通过焊接不同稳压值的钳位二极管，以及相应的阻容配比电路，可以实现不同阈值电压信号的采集。

4、数据采集的过程中，可以通过中断信号自动采集，并且按照预定算法，自动更新最新的计算结果，整个过程自动进行，测试效率高。

最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。