用8051单片机进行频率测量

Question

我只想连续计算正弦信号的频率与比较器的输入(在下降的边缘)。有效目标频率约为122 Hz，我的实现大部分时间都在工作，但有时它计算错误的频率总是在~61 Hz左右(这是不可能的，我用示波器验证了这一点)。

我的实现似乎有一个弱点，可能是竞赛状态或误用计时器，因为它使用并发中断服务例程并手动启动和停止计时器。

我还认为这个bug与测量到的大约122 is的频率相关，因为一个计时器溢出几乎是一样的：

一个计时器溢出=1/ (1/8 MHz * 2^16位)= 122.0703125 Hz

我使用的是8051微控制器(硅实验室C8051F121)，代码如下：

// defines 
#define PERIOD_TIMER_FREQ 8000000.0 // Timer 3 runs at 8MHz

#define TMR3_PAGE      0x01 /* TIMER 3 */
#define CP1F_VECTOR    12   /* comparator 1 falling edge */
#define TF3_VECTOR     14   /* timer3 reload timer   */

sfr TMR3CN        = 0xC8; /* TIMER 3 CONTROL */
sfr TMR3L         = 0xCC; /* TIMER 3 LOW BYTE */
sfr TMR3H         = 0xCD; /* TIMER 3 HIGH BYTE */

// global variables
volatile unsigned int xdata timer3_overflow_tmp; // temporary counter for the current period
volatile unsigned int xdata timer3_lastValue; // snapshot of the last timer value
volatile unsigned int xdata timer3_overflow; // current overflow counter, used in the main routine
volatile unsigned int xdata tempVar; // temporary variable
volatile unsigned long int xdata period; // the caluclated period
volatile float xdata period_in_SI; // calculated period in seconds
volatile float xdata frequency; // calculated frequency in Hertz

// Comparator 1 ISR has priority "high": EIP1 = 0x40
void comp1_falling_isr (void) interrupt CP1F_VECTOR
{
  SFRPAGE = TMR3_PAGE;
  TMR3CN &= 0xfb;      // stop timer 3

  timer3_lastValue = (unsigned int) TMR3H;
  timer3_lastValue <<= 8;
  timer3_lastValue |= (unsigned int) TMR3L;

  // check if timer 3 overflow is pending 
  if (TMR3CN & 0x80)
  {
    timer3_overflow_tmp++; // increment overflow counter
    TMR3CN &= 0x7f; // Clear over flow flag. This will also clear a pending interrupt request.
  } 

  timer3_overflow = timer3_overflow_tmp;

  // Reset all the timer 3 values to zero
  TMR3H = 0;
  TMR3L = 0;
  timer3_overflow_tmp = 0;
  TMR3CN |= 0x04;     // restart timer 3
}

// Timer 3 ISR has priority "low", which means it can be interrupted by the
// comparator ISR: EIP2 = 0x00
// Timer 3 runs at 8MHz in 16 bit auto-reload mode
void timer3_isr(void) interrupt TF3_VECTOR using 2
{      
  SFRPAGE = TMR3_PAGE;
  timer3_overflow_tmp++;
  TMR3CN &= 0x7f; // Clear over flow flag. This will also clear a pending interrupt request.
}

void main(void)
{
  for(;;)
  {
    ...

calcFrequencyLabel: // this goto label is a kind of synchronization mechanism
                    // and is used to prevent race conditions caused by the ISRs
                    // which invalidates the current copied timer values

    tempVar = timer3_lastValue;
    period  = (unsigned long int)timer3_overflow;
    period  <<= 16;
    period  |= (unsigned long int)timer3_lastValue;

    // If both values are not equal, a race condition has been occured.
    // Therefore the the current time values are invalid and needs to be dropped.
    if (tempVar != timer3_lastValue) 
      goto calcFrequencyLabel;

    // Caluclate period in seconds
    period_in_SI = (float) period / PERIOD_TIMER_FREQ;

    // Caluclate period in Hertz
    frequency = 1 / period_in_SI; // Should be always stable about ~122Hz

    ...
  }  
}

有人能帮我找到我的实现中的漏洞吗？

Answer 1

我不能指出特定的错误，但是这段代码中有一些问题。

主要的问题是8051不是一台PC，而是成为主流的最可怕的8位单片机。这意味着你应该拼命避免32位整数和浮点之类的东西。如果你拆开这段代码，你就会明白我的意思。

完全没有理由在这里使用浮点。32位变量可能也可以避免。您应该尽可能使用uint8_t，并避免使用unsigned int。您的C代码不需要知道时间(以秒为单位)或频率(以赫兹为单位)，而只需要关注计时器周期的数量。

你有多个种族状况缺陷。您的goto黑客主要是一个肮脏的解决方案-相反，您应该防止比赛条件发生在第一。在ISRs和timer3_overflow_tmp之间还有另一个竞赛条件。

在ISR和main之间共享的每个变量，或者具有不同优先级的两个不同的ISR之间的变量，都必须受到保护，以避免竞争条件的影响。这意味着您必须确保原子访问或使用某种形式的保护机制。在这种情况下，您可能只需使用"poor man's mutex" bool标志即可。另一种选择是更改为8位变量，并在内联汇编程序中编写访问它的代码。通常，您不能在8位核上的unsigned int上使用原子访问.

Answer 2

对于低频正弦和输入滞后不足(默认为无)的慢边，一个上升的边缘看起来像下降的边缘，只需要一点噪声就可以得到一半的频率。

代码片段不包括设置迟滞的CPT1CN设置。对于您的信号，您可能需要最大限度的它，并确保在您的信号的峰值-峰值噪声是小于30毫伏。