CN105372491A - 一种测量旋进频率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于磁场测量设备技术领域，提供了一种测量旋进频率的方法及装置，所述方法包括：通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率，本发明通过剔除无效当前计数值，提高了旋进频率的精度和稳定度。

Description

一种测量旋进频率的方法及装置

技术领域

本发明属于磁场测量设备技术领域，尤其涉及一种测量旋进频率的方法及装置。

背景技术

质子旋进式磁力仪是依据质子的旋进频率来测量地磁场的仪器，它是目前世界上测量磁场强度的重要方式之一，现有质子磁力仪控制系统的精度取决于对旋进频率的准确测量，其中，测量旋进频率的方法包括以下三种：

1.直接测频法：由时基信号形成闸门，对被测信号进行计数，当闸门宽度为1s时可直接从计数器读出被测信号频率，由于计数值可能存在正负一个脉冲，故此法的绝对误差就是1Hz，其相对误差则随着被测频率的升高而降低，故此法只适于测高频而不适于测低频；

2.测周期法：由被测信号形成闸门，对时基脉冲进行计数，当闸门宽度刚好是一个被测脉冲周期时，可直接从计数器读出被测信号的周期值，该法的绝对误差是一个时基周期，其相对误差随着被测信号周期的增大而降低，故此法只适于测低频而不适于测高频；

3.等精度测频：设置两个同步闸门，同时对被测信号和时基脉冲进行计数，两个计数值之比即等于其频率比，可让闸门起点和终点均与被测脉冲正沿同步，可消除被测计数器的正负一个脉冲的误差，使其误差与被测频率无关，达到等精度测频，然而在电路上此法需要加上必要的同步器件，所以硬件设计较为复杂。

综上所述，现有旋进频率的测量方法要么适用范围有限，要么硬件电路设计过于复杂，需要一种新适合各种环境并不用额外的硬件电路的旋进频率的测量方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种测量旋进频率的方法及装置，旨在解决现有旋进频率的测量方法要么适用范围有限，要么硬件电路设计过于复杂的问题。

一方面，提供一种测量旋进频率的方法，包括：

通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；

初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；

在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；

将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；

以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

进一步地，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

进一步地，所述将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值具体为：

以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；

根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；

剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；

将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

进一步地，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数。

进一步地，所述方法还包括：

停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。

另一方面，提供一种测量旋进频率的装置，包括：

信号接收单元，用于通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；

初始计时单元，用于初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；

计时单元，用于当所述捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿时，保存所述实时时钟单元的当前定时器值；

计数值获取单元，用于在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；

滤波单元，用于将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；

频率获取单元，用于以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

进一步地，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

进一步地，所述滤波单元具体用于以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

进一步地，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数。

进一步地，所述装置还包括：

捕获停止单元，用于停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。

在本发明实施例，通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率，本发明通过剔除无效当前计数值，提高了旋进频率的精度和稳定度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的质子磁力仪控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的捕获模块电路结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的测量旋进频率的方法的流程示意图；

图4是本发明实施例二提供的滤波方法的流程示意图；

图5是本发明实施例三提供的测量旋进频率的装置的具体结构框图；

图6a、6b、6c、6d分别是不同频率下当前计数值作为样本值的正态分布图；

图7a、7b、7c分别是不同频率下转化为磁场值的测试趋势图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

实施例一

图1、图2示出了本发明实施例一提供的质子磁力仪控制系统包括用于对接收到的旋进信号进行逻辑输入缓冲和将所述旋进信号转换方波信号并逻辑缓冲输出的数字隔离单元11；用于实时提供测试时间的实时时钟单元12；用于接收所述方波信号，并通过捕获模块(图中未示出)获得所述方波信号的连续两个上升沿对应的测试时间以及所述实时时钟单元的标频值获得旋进频率的DSP信号处理单元13，所述测试时间为所述连续两个上升沿时所述实时时钟单元的记录的时间值，其中所述数字隔离单元11和实时时钟单元12的输出端分别与所述DSP信号处理单元13的第一输入端1、第二输入端2电性连接，其中，DSP信号处理单元13具体是以DSP28335芯片为主的电路，其包括捕获模块，捕获模块可捕获外部输入引脚的电平变化，用于捕获所述方波信号的上升沿，具体原理如图2所示，当捕获引脚输入脉冲波形时能够捕获指定的电平变化,例如捕获脉冲的上升沿，当捕获到脉冲指定的电平变化时，捕获模块就记录下此时实时时钟单元12的测试时间，现在假设捕获到第1个测试时间为tk1,捕获到第2个测试时间为tk2,那么很明显这个脉冲的宽度为tk2-tk1，因此捕获模块可以用于探测脉冲或者数字信号的宽度，此时实时时钟单元12的标频值为RHz，显然被测信号的旋进频率为R/(tk2-tk1)。由于捕获功能的开启与关闭是以被测信号的上升沿或者下降沿为准，所以解决了传统测频正负一的误差，再通过改进的周期测频法的后期处理可以准确的测出被测旋进信号的标频值。实时时钟单元12具体是以DS1307为主控电路，DS1307通过IIC接口与DSP28335通信，DS1307芯片的一引脚连接电池，在断电时电池仍能为DS1307供电，从而保证时钟的正常运行。

其中，所述数字隔离单元11还包括依次电性连接的用于滤除所述旋进信号的尖峰噪声的滤波模块(图中未示出)和用于对所述方波信号进行电平转换的转换模块(图中未示出)。具体的，数字隔离单元11主控芯片可选用TI的ISO721，ISO721数字隔离器是逻辑输入和输出缓冲器，提供高达4000V电隔离的二氧化硅(SiO2)绝缘势垒分开，该器件可防止数据总线或其他电路上的噪声电流进入以及干扰或损坏敏感电路，另外，该器件内部输入端含有滤波模块，可以对输入信号的尖峰噪声进行处理，因为来自模拟电路的旋进信号在实际测试当中必然夹杂着一些噪声从而影响DSP28335芯片后期的信号捕获。由于DSP属于低功耗芯片，IO口允许输入的电压最高为3.3V，还需要转换模块进行电平转换处理，即5V转3.3V，数字隔离单元实现了电平转换且隔离效果良好。

进一步地，所述电路还包括:用于以文件形式保存根据旋进频率获得的磁场数据和系统数据的存储单元14，所述存储单元14与所述DSP信号处理单元13通过SPI接口连接并对外提供USB接口。其中存储单元14具体是以CH376S芯片为核心的电路，CH376S芯片内置文件系统，支持SD卡、U盘等存储设备。

进一步地，所述电路还包括:用于将所述DSP信号处理单元输出的所述磁场数据通过RS232串口上传至上位机进行后期处理的串口单元15。所述串口单元15可选用RS232三线方式(发送线、接收线、地线)。

进一步地，所述电路还包括:用于实时显示所述磁场数据和其他功能菜单的显示单元16，所述显示单元16的输入端与所述DSP信号处理单元13的输出端连接。

进一步地，所述电路还包括：用于人机交互的输入单元17，所述输入单元17的输出端与所述DSP信号处理单元13的第三输入端3连接。

进一步地，所述电路还包括：用于测量当前包括经纬度数据和海拔数据的定位单元18，所述定位单元18的输出端与所述DSP信号处理单元13的第四输入端4连接。

本实施例，设计了包括数字隔离单元、实时时钟单元和DSP信号处理单元构成的电路，DSP信号处理单元具体可使用DSP28335来实现，充分利用DSP信号处理单元的捕获模块的功能，实现了以DSP信号处理单元作为主控单元的控制系统，加快了运算速度，增加了质子磁力仪控制系统的可扩展性，同时，由于采用了小型集成电路，有利于质子磁力仪控制系统的小型化设计。

实施例二

图3示出了本发明实施例二提供的测量旋进频率的方法的实现流程，详述如下：

在步骤S301中，通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号。

在本实施例中，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

在步骤S302中，初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行计时及设置标频定时器。

在本实施例中，闸门时间为设定的测量旋进信号的时间长度，优选的，所述闸门时间为500ms，实时时钟单元的频率设为150MHz，远大于被测旋进信号频率范围，即800Hz～4000Hz，约为被测信号频率的10000倍，被测信号频率精度可以达到小数点后四位。测量闸门时间为500ms,为了准确的指定闸门时间，采用定时器来定时500ms，只有在这500ms以内，捕获模块的捕获操作才开启。

在步骤S303中，在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值。

在本实施例中，如果所述闸门时间未结束,继续捕获下一个上升沿并获取与所述下一个上升沿对应的当前定时器值与上一个相减得到当前计数值,获取多个当前计数值，直至所述闸门时间结束。如果所述闸门时间结束，停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。

在步骤S304中，将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值。

在本实施例中，本步骤具体滤波过程如图4所示，其包括以下子步骤：

S11.以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；

S12.根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；

其中，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数。优选的，所述N为3，因为整体样本值服从正态分布，99.7％的样本分布在(μ-3σ～μ+3σ)的范围之内为有效样本值。

S13.剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；

具体的，就是去掉在(μ-3σ～μ+3σ)的范围之外为无效样本值。

S14.将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

在步骤S305中，以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

本实施例，通过剔除无效当前计数值，提高了旋进频率的精度和稳定度，由于处理器DSP有专门的硬件乘法器，浮点运算的周期大大减小，测量速度加快。

实施例三

图5示出了本发明实施例三提供的测量旋进频率的装置的具体结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。在本实施例中，该测量旋进频率的装置包括：信号接收单元51、初始计时单元52、计时单元53、计数值获取单元54、滤波单元55、频率获取单元56和捕获停止单元57。

其中，信号接收单元51，用于通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；

初始计时单元52，用于初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；

计时单元53，用于当所述捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿时，保存所述实时时钟单元的当前定时器值；

计数值获取单元54，用于在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；

滤波单元55，用于将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；

频率获取单元56，用于以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

进一步地，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

进一步地，所述滤波单元55具体用于以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

进一步地，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数。优选的，所述N为3。

进一步地，所述装置还包括：

捕获停止单元57，用于如果所述闸门时间结束停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。

本实施例，通过剔除无效当前计数值，提高了旋进频率的精度和稳定度，由于处理器DSP有专门的硬件乘法器，浮点运算的周期大大减小，测量速度加快。

本发明实施例提供的测量旋进频率的装置可以应用在前述对应的方法实施例二中，详情参见上述实施例二的描述，在此不再赘述。

实施例四

图6a、6b、6c和6d分别示出了信号发生器产生的频率分别为1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz的0-5V的方波信号的频率的分布图，其中频率也可称标频计数值，为了验证正确性，用信号发生器产生不同频率的0-5V的方波信号进行测试。通过周期测频法连续采集被测信号数千个周期内的计数值，上述计数值数据经过MATLAB处理如图6a、6b、6c和6d所示，展示1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz的实验结果，从上图可以看出，这些计数值大体以频率为中心按正态分布分配，而服从正态分布的总体当中，99.7％的样本分布在(μ-3σ～μ+3σ)的范围之内，因此只要求出整体样本值(即所有周期计数值)的均值μ和标准差σ，然后剔除(μ-3σ～μ+3σ)之外的样本(将其视为坏样本)，然后再对剩下的样本进行如上操作，重复几次即可消除测量时的误差较大的样本值。

图7a、7b和7c分别示出了用信号发生器产生的频率分别为2000Hz、3000Hz、4000Hz的正弦信号来模拟三个不同地点的旋进信号并将每次测量的频率值乘以旋磁比得到模拟的磁场数据，旋磁比即磁场值与旋进频率值之比，具体实验环境是，手工缠绕一个线圈在传感器感应电路周围，再将传感器放入白色屏蔽筒当中，其中，屏蔽筒的功能是屏蔽外界所有磁场和干扰信号，将线圈线引出屏蔽筒接在信号发生器上，通过信号发生器产生幅值约为50mV-100mV的不同频率的正弦波来模拟不同地点的质子旋进信号，测量频率为0.5Hz,即2s产生一个数据，每次实验时间约为30分钟，获得上述图6a、6b和6c的数据。三次测量开始时都有2-3个数据的震荡，是因为质子旋进式磁力仪在测量数据之前需要进行配谐，配谐的目的是调整前端并联谐振滤波器的谐振频率，使得其谐振在被测信号频率的周围，即经过初期几次配谐后即可锁定谐振频率。由于质子的旋磁比约为23.4874，2000Hz的旋进频率对应的磁场值为46974.8nT，3000Hz和4000Hz则分别对应70462.2nT和93949.6nT,三次测量的结果与标准值相差约为1nT,仅为地磁场值大小的几万分之一，数据分辨率可以达到0.1nT。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测量旋进频率的方法，其特征在于，所述方法包括:

通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；

初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量及设置标频定时器；

在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；

将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；

以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

2.根据权利要求1所述的测量旋进频率的方法，其特征在于，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

3.根据权利要求1或2所述的测量旋进频率的方法，其特征在于，所述将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值具体为：

以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；

根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；

剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；

将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

4.根据权利要求3所述的测量旋进频率的方法，其特征在于，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数。

5.根据权利要求1所述的测量旋进频率的方法，其特征在于，所述方法还包括：

停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。

6.一种测量旋进频率的装置，其特征在于，所述装置包括：

信号接收单元，用于通过捕获模块接收数字隔离单元进行隔离后输入的方波信号；

初始计时单元，用于初始化实时时钟单元，以所述捕获模块的闸门时间为周期进行测量；

计时单元，用于当所述捕获模块捕获到所述方波信号的上升沿时，保存所述实时时钟单元的当前定时器值；

计数值获取单元，在所述闸门时间内，连续捕获两个信号上升沿并获取所述上升沿对应的当前定时器值并计算两定时器值之差从而获得当前计数值；

滤波单元，用于将所述闸门时间内的所有所述当前计数值进行滤波，获得有效计数值；

频率获取单元，用于以所述实时时钟单元的标频值和所述有效计数值的之商作为旋进频率。

7.根据权利要求6所述的测量旋进频率的装置，其特征在于，所述方波信号为旋进信号经过模拟电路进行滤波、放大和锁相之后获得的幅值不变的方形波信号。

8.根据权利要求6或7所述的测量旋进频率的装置，其特征在于，所述滤波单元具体用于以所述闸门时间内的所有所述当前计数值作为样本值，计算所述样本值的均值和均方差；根据所述均值和均方差，获取有效样本范围；剔除所有所述当前计数值中取值在所述有效样本范围之外的所述当前计数值；将在所述有效样本范围内所有所述当前计数值的均值作为有效计数值。

9.根据权利要求8所述的测量旋进频率的装置，其特征在于，所述有效样本范围具体为最小样本值与最大样本值之间的当前计数值，所述最小样本值为所述均值减去N倍所述均方差的差值，所述最大样本值为所述均值与N倍所述均方差的之和，所述N为大于等于3的正整数，根据统计学规律，所有数值中99.7％的有效数据在这个范围之内。

10.根据权利要求1所述的测量旋进频率的装置，其特征在于，所述装置还包括：

捕获停止单元，用于停止所述捕获模块捕获所述方波信号的上升沿。