CN105004921B - 基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，依次包括以下步骤：A：将参考信号和被测信号送入FPGA模块，然后将被测信号的粗测频率通过FPGA模块生成参考频率信号；B：参考频率信号和被测信号同时输入数字示波器产生动态李沙育图形；C：通过高分辨率CCD图像采集设备采集动态李沙育图形，并对动态李沙育图形的翻转周期进行计算，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号；D：上位机利用调整过的参考频率信号以及动态李沙育图形的翻转周期，计算出被测模块输出的被测信号的频率。本发明能够准确测量被测信号的频率值，系统稳定可靠，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率测量方法，尤其涉及一种基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法。
背景技术
目前,传统的频率测量方法以及基于异频相位处理的频率测量方法，其精度受制于检测器件的分辨率。对于一般的TTL门电路器件来说，当输入信号为窄脉冲且其持续接近Tpd(门电路延时时间一般为ns量级)时，输出的变化跟不上输入的变化，无法保证正确的逻辑输出，导致产生相位重合点模糊区，因此分辨率难以达到ns量级。李沙育图形的形状特征由两频率信号之间的相位关系所决定，理论上不存在测量误差，其精度主要受制于CCD图像采集卡的采样速度，因此能够达到现有频率测量电路所无法实现的高精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，能够通过李沙育图形的翻转周期计算出参考信号和被测信号之间的微小频差，从而准确测量被测信号的频率值，本发明无需混频、倍频等复杂频率变换电路，电路结构简单，操作方便，成本低廉，系统稳定可靠，测量精度高。
本发明采用下述技术方案：
基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，依次包括以下步骤：
A：将参考模块输出的参考信号送入FPGA模块，同时将被测模块输出的被测信号送入FPGA模块；然后结合参考信号，利用FPGA模块对被测信号进行粗测得到被测信号的粗测频率，然后将被测信号的粗测频率通过FPGA模块生成参考频率信号；
B：将FPGA模块生成的参考频率信号和被测模块输出的被测信号同时输入数字示波器，利用数字示波器产生动态李沙育图形；
C：通过高分辨率CCD图像采集设备将示波器上显示的动态李沙育图形实时采集到上位机中，利用上位机对动态李沙育图形的翻转周期进行计算，并将计算结果反馈至FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号；
D：上位机利用调整过的参考频率信号以及动态李沙育图形的翻转周期，计算出被测模块输出的被测信号的频率，被测信号的频率计算公式如下：
fx＝f′x+Δf
其中，Δf是被测信号与参考频率信号的频率偏差；A是参考频率信号与被测信号标称值的最大频率公约数，A≡1；τ是动态李沙育图形的翻转周期值，fx是被测信号的频率，f′x是被测信号频率的粗测频率。
所述的步骤A中，利用FPGA内部的计数器，在同一闸门时间内对参考信号和被测信号进行计数，以获得参考信号和被测信号的计数值，然后结合参考信号的周期，经FPGA内部配置的MCU对计数值进行处理，从而获得被测信号的粗测频率。
所述的步骤A中，被测信号的粗测频率被送入FPGA内部配置的控制模块，以产生用于对FPGA内部配置的频率合成模块进行控制的控制频率信号，在控制频率信号的控制下，FPGA内部配置的频率合成模块产生与被测信号的粗测频率相同数值的参考频率信号。
所述的步骤C中，高分辨率CCD图像采集设备是指具有高清成像功能的工业摄像机。
所述的步骤C中，翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整。如果翻转周期的值在0.5s至30s范围内，能够通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则直接得到被测频率的粗测值偏差并显示被测频率值；如果翻转周期小于0.5s且不能通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则将翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA内部配置的频率合成模块和控制模块，以控制参考信号频率产生步进式变化，并实时观察动态李沙育图形，直至动态李沙育图形稳定并使翻转周期在0.5s至30s范围内，从而便于通过CCD图像采集及计算。上述方法即可实现利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号。
所述的步骤C中，动态李沙育图形的翻转周期计算方法如下：
C1：对于李沙育图形中的第i帧Fi(m,n)，m和n分别表示第i帧图像的行和列；忽略第i帧Fi(m,n)中的色彩和饱和度信息，只保留亮度信息，并将亮度信息转变为具有256个灰度级的灰度图像I(m,n)；
C2：对灰度图像I(m,n)进行分割得到二值图像J(m,n)：
其中，Threshold为阈值，阈值根据图像采集质量进行设定；
C3：将二值图像J(m,n)中位于李沙育图形上的像素和背景上的像素分别用1和0表示，则二值图像J(m,n)的归一化面积为
其中，NAi表示第i帧图像的归一化面积，M×N表示李沙育图形视频的分辨率；
C4：对李沙育图形视频中所有的帧均进行步骤C1至步骤C3的处理，得到归一化面积实验曲线NA(i)，1≤i≤NOF，其中NOF表示李沙育图形视频中的帧数；
C5：将归一化面积实验曲线NA(i)所产生的重合程度最大的帧设为翻转周期的标记帧，第i个标记帧与第i+2个标记帧之间的时间间隔即为李沙育图形的翻转周期值，i为任意自然数；
设某段李沙育图形视频中总共有N个标记帧，第l个标记帧为李沙育图形视频中的第kl帧，则可以得到N-2个翻转周期值，那么第p个翻转周期值为：
其中，τp为第p个翻转周期值，kp+2为第p+2个标记帧，kp为第p个标记帧，FR为李沙育图形视频的帧率。
所述的步骤C中，上位机采用LabVIEW虚拟仪器。
本发明基于李沙育图形的翻转周期计算出参考信号和被测信号之间的微小频差，最终获得被测信号的频率值。本发明无需混频、倍频等复杂的频率变换电路，不存在±1个字的频率计数误差，以软件算法处理和硬件实现为主，电路结构简单，操作方便，成本低廉，系统稳定可靠，测量精度高。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1所示，本发明所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，依次包括以下步骤：
A：将参考模块输出的参考信号送入FPGA模块，同时将被测模块输出的被测信号送入FPGA模块；然后结合参考信号，利用FPGA模块对被测信号进行粗测得到被测信号的粗测频率，然后将被测信号的粗测频率通过FPGA模块生成参考频率信号；
粗测频率通过直接测频法获得。利用FPGA内部的计数器，在同一闸门时间内对参考信号和被测信号进行计数，以获得参考信号和被测信号的计数值，然后结合参考信号的周期，经FPGA内部配置的MCU对计数值进行处理，从而获得被测信号的粗测频率。由于直接测频法在测频过程中存在±1字的计数误差，故所得频率称为粗测频率。
参考频率信号的生成通过FPGA内部配置的频率合成模块和控制模块完成。被测信号的粗测频率被送入FPGA内部配置的控制模块，以产生用于对FPGA内部配置的频率合成模块进行控制的控制频率信号，在控制频率信号的控制下，FPGA内部配置的频率合成模块产生与被测信号的粗测频率相同数值的参考频率信号，参考频率信号与被测频率信号客观上具有微小的频率偏差，使参考频率信号与被测频率信号的直接相位比对结果更具有规律性。
B：将FPGA模块生成的参考频率信号和被测模块输出的被测信号同时输入数字示波器，利用数字示波器产生动态李沙育图形；
C：通过高分辨率CCD图像采集设备将示波器上显示的动态李沙育图形实时采集到上位机中，利用上位机对动态李沙育图形的翻转周期进行计算，并将计算结果反馈至FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号；
所述的高分辨率CCD图像采集设备是指具有高清成像功能的工业摄像机且分辨率大于1000万像素。
翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整。如果翻转周期的值在0.5s至30s范围内，能够通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则直接得到被测频率的粗测值偏差并显示被测频率值；如果翻转周期小于0.5s且不能通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则将翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA内部配置的频率合成模块和控制模块，以控制参考信号频率产生步进式变化，并实时观察动态李沙育图形，直至动态李沙育图形稳定并使翻转周期在0.5s至30s范围内，从而便于通过CCD图像采集及计算。上述方法即可实现利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号。
步骤C中，动态李沙育图形的翻转周期计算方法如下：
C1：对于李沙育图形中的第i帧Fi(m,n)，m和n分别表示第i帧图像的行和列；忽略第i帧Fi(m,n)中的色彩和饱和度信息，只保留亮度信息，并将亮度信息转变为具有256个灰度级的灰度图像I(m,n)；
C2：对灰度图像I(m,n)进行分割得到二值图像J(m,n)：
其中，Threshold为阈值，阈值根据图像采集质量进行设定；
C3：将二值图像J(m,n)中位于李沙育图形上的像素和背景上的像素分别用1和0表示，则二值图像J(m,n)的归一化面积为
其中，NAi表示第i帧图像的归一化面积，M×N表示李沙育图形视频的分辨率；
C4：对李沙育图形视频中所有的帧均进行步骤C1至步骤C3的处理，得到归一化面积实验曲线NA(i)，1≤i≤NOF，其中NOF表示李沙育图形视频中的帧数；
C5：将归一化面积实验曲线NA(i)所产生的重合程度最大的帧设为翻转周期的标记帧，第i个标记帧与第i+2个标记帧之间的时间间隔即为李沙育图形的翻转周期值，i为任意自然数；
设某段李沙育图形视频中总共有N个标记帧，第l个标记帧为李沙育图形视频中的第kl帧，则可以得到N-2个翻转周期值，那么第p个翻转周期值为：
其中，τp为第p个翻转周期值，kp+2为第p+2个标记帧，kp为第p个标记帧，FR为李沙育图形视频的帧率。
D：上位机利用调整过的参考频率信号以及动态李沙育图形的翻转周期，计算出被测模块输出的被测信号的频率。
被测信号的频率计算如下：
fx＝f′x+Δf
其中，Δf是被测信号与参考频率信号的频率偏差；A是参考频率信号与被测信号标称值的最大频率公约数，本发明中A≡1；τ是动态李沙育图形的翻转周期值，fx是被测信号的频率；f′x是被测信号频率的粗测频率。
本发明中，上位机也可采用LabVIEW虚拟仪器。
下表为使用本发明所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法的实测结果：
综上，传统的李沙育图形只是单纯用于观察两频率信号之间的倍数关系，而本发明基于李沙育图形的翻转周期计算出参考信号和被测信号之间的微小频差，最终获得被测信号的频率值。本发明无需混频、倍频等复杂的频率变换电路，不存在±1个字的频率计数误差，以软件算法处理和硬件实现为主，电路结构简单，操作方便，成本低廉，系统稳定可靠，测量精度高。
Claims (6)
1.基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
A：将参考模块输出的参考信号送入FPGA模块，同时将被测模块输出的被测信号送入FPGA模块；然后结合参考信号，利用FPGA模块对被测信号进行粗测得到被测信号的粗测频率，然后将被测信号的粗测频率通过FPGA模块生成参考频率信号；
B：将FPGA模块生成的参考频率信号和被测模块输出的被测信号同时输入数字示波器，利用数字示波器产生动态李沙育图形；
C：通过高分辨率CCD图像采集设备将示波器上显示的动态李沙育图形实时采集到上位机中，利用上位机对动态李沙育图形的翻转周期进行计算，并将计算结果反馈至FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号；
其中，动态李沙育图形的翻转周期计算方法如下：
C1：对于李沙育图形中的第i帧Fi(m,n)，m和n分别表示第i帧图像的行和列；忽略第i帧Fi(m,n)中的色彩和饱和度信息，只保留亮度信息，并将亮度信息转变为具有256个灰度级的灰度图像I(m,n)；
C2：对灰度图像I(m,n)进行分割得到二值图像J(m,n)：
其中，Threshold为阈值，阈值根据图像采集质量进行设定；
C3：将二值图像J(m,n)中位于李沙育图形上的像素和背景上的像素分别用1和0表示，则二值图像J(m,n)的归一化面积为
其中，NAi表示第i帧图像的归一化面积，M×N表示李沙育图形视频的分辨率；
C4：对李沙育图形视频中所有的帧均进行步骤C1至步骤C3的处理，得到归一化面积实验曲线NA(i)，1≤i≤NOF，其中NOF表示李沙育图形视频中的帧数；
C5：将归一化面积实验曲线NA(i)所产生的重合程度最大的帧设为翻转周期的标记帧，第i个标记帧与第i+2个标记帧之间的时间间隔即为李沙育图形的翻转周期值，i为任意自然数；设某段李沙育图形视频中总共有N个标记帧，第l个标记帧为李沙育图形视频中的第kl帧，则可以得到N-2个翻转周期值，那么第p个翻转周期值为：
其中，τp为第p个翻转周期值，kp+2为第p+2个标记帧，kp为第p个标记帧，FR为李沙育图形视频的帧率；
D：上位机利用调整过的参考频率信号以及动态李沙育图形的翻转周期，计算出被测模块输出的被测信号的频率，被测信号的频率计算公式如下：
其中，Δf是被测信号与参考频率信号的频率偏差；A是参考频率信号与被测信号标称值的最大频率公约数，A≡1；τ是动态李沙育图形的翻转周期值，fx是被测信号的频率，fx′是被测信号频率的粗测频率。
2.根据权利要求1所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：所述的步骤A中，利用FPGA内部的计数器，在同一闸门时间内对参考信号和被测信号进行计数，以获得参考信号和被测信号的计数值，然后结合参考信号的周期，经FPGA内部配置的MCU对计数值进行处理，从而获得被测信号的粗测频率。
3.根据权利要求1所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：所述的步骤A中，被测信号的粗测频率被送入FPGA内部配置的控制模块，以产生用于对FPGA内部配置的频率合成模块进行控制的控制频率信号，在控制频率信号的控制下，FPGA内部配置的频率合成模块产生与被测信号的粗测频率相同数值的参考频率信号。
4.根据权利要求1所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：所述的步骤C中，高分辨率CCD图像采集设备是指具有高清成像功能的工业摄像机。
5.根据权利要求1所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：所述的步骤C中，翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA模块，利用FPGA模块对参考频率信号进行调整； 如果翻转周期的值在0.5s至30s范围内，能够通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则直接得到被测频率的粗测值偏差并显示被测频率值；如果翻转周期小于0.5s且不能通过高分辨率CCD图像采集并利用上位机计算出来，则将翻转周期结果通过串行通信反馈到FPGA内部配置的频率合成模块和控制模块，以控制参考信号频率产生步进式变化，并实时观察动态李沙育图形，直至动态李沙育图形稳定并使翻转周期在0.5s至30s范围内，从而便于通过CCD图像采集及计算；上述方法即可实现利用FPGA模块对参考频率信号进行调整，使参考频率信号能够实时跟踪被测模块输出的被测信号。
6.根据权利要求1所述的基于李沙育图形的异频高精度频率测量方法，其特征在于：所述的步骤C中，上位机采用LabVIEW虚拟仪器。
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