【文章摘要】

随着电子技术的发展，频率测量已成为电子测量领域非常重要的测量之一。本文提出了一种基于STM32 单片机频率测量的方案。与传统单片机相比，STM32 的主频和定时器的频率可以通过PLL 倍频到高达72MHz，能够实现高精度的测量。

【关键词】

STM32 单片机；比较/ 捕获；频率计

【Abstract】

With the development of electronic t e c h n o l o g y , f r e q u e n c y m e a s u r e m e n t has become one of very important electronic measurement in the field of measurement. This paper proposes a s o l u t i o n b a s e d o n f r e q u e n c y measurement of STM32 microcontroller. Compared with the traditional single chip microcomputer,the frequency of the dominant frequency and timer of STM32 through PLL frequency doubling to 72 MHZ,can achieve high precision measurement.

【Keywords】

STM32 microcontroller;Compare/capture; Frequency meter

0 引言

频率计作为测量待测信号频率的一种仪器，也可以用来测量方波脉冲的脉宽以及占空比，在科研、教学、工业控制、高精度仪器测量等领域都得到了较广泛的应用。随着单片机、计算机技术的不断发展，单片机具有了很强的数据处理能力和更加灵活的逻辑控制功能，可以用单片机通过软件控制直接用十进制数字显示被测信号频率，同时也克服了传统频率计精度不高、结构复杂、稳定性差的问题，而且频率计成本越来越低，性能却越来越强大。本文用stm32 单片机作为主控芯片，设计了一种数字式频率计，利用stm32 单片机的定时器捕获/ 比较模式测量频率，通过软件设置来提高了频率测量的精度。

1 系统硬件部分

本次所设计的数字频率计的原理框图如图1 所示

放大整形电路：为了能测量不同电压值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大整形处理，使之成为能被单片机识别的脉冲信号。一般情况下，信号放大可以采用运算放大电路，波形整形可采用施密特触发器。由于输入的信号幅值不确定，放大器的放大倍数也就很难确定，因此采用一般的方案不能实现。为了解决这个问题，本设计采用LM833 运放构成过零比较器来实现，这时只要待测信号电压达到 20mV（有运放参数决定）以上，即可将输入方波、三角波、正弦波或锯齿波整形成能被单片机识别的矩形脉冲信号。在其输出端加入稳压管，将输出的高电平稳定在5V。

STM32 单片机：本设计选用属于 STM32 系列的 STM32F103ZCT6 单片机作为本次设计的核心器件。STM32F103ZCT6 单片机系列单片机属于 ST 意法半导体公司生产的 32 位高性能、低成本、低功耗的增强型系列单片机，它的内核采用的是 ARM 公司最新研发的 Cortex-M3 架构，该内核是专门设计用于满足普通用户对高性能、低功耗和经济的要求，Cortex-M3 架构在系统结构上的增强，使得 STM32 增强型系列单片机受益无穷，其采用的THUMB-2 指令集更是使得其指令效率更高和性能更强，操作起来也比较方便， STM32 单片机的主频和定时器的最高工作频率可达72MHz，具有8 个定时器/ 计数器（2 个基本、2 个高级、4 个普通定时器/ 计数器）， STM32 系列单片机这些特点适合在环保数据的采集和传输环节作为主控MCU 使用。

显示模块：在整个数字频率计系统中，需要有显示频率大小和方波的占空比，就需要选择显示装置，本设计采用LCD1602 液晶显示屏，LCD1602 液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。该液晶显示屏由若干个或者等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符或数字，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用， LCD1602 最大可以显示两行字符，每行可显示16 个字符或数字。基于LCD1602 的以上特点，该显示屏可以满足本设计的要求。

2 系统软件部分

STM32 提供了高达72MHz 的工作频率和高分辨率的定时器，这就为高精度的频率测量提供了保证。

1）在信号频率较高时我们利用STM32 单片机定时器TIMX（通用定时器TIM1-TIM4）所具有的比较/ 捕获功能， 设计时我们选用TIM3 定时器，由TIM3 定时器捕获PB5 引脚上输入的脉冲方波， 同时我们还可以设置使用滤波，使得输入脉冲波形经历几个周期跳变，认定波形稳定后才开始测量，通过计算每个脉冲的周期来间接计算出方波的频率。测量时，当PB5 管脚捕获到一个脉冲方波的上升沿后，进入TIM3 定时器中断服务函数，清空捕获寄存器的值（即设置此时计数器的初值为0），计数器开始计时，直到下一个上升沿来临时，再次进入TIM3 定时器中断服务函数，记录下此时捕获寄存器的值time，用单片机定时器的工作频率（72MHz）除以time 值，结果即为输入脉冲的频率。例如，单片机的定时器工作频率为72MHz，捕获一个方波周期单片机的计数值（即time 值）65530，则

方波频率为：

在频率很高的情况下，为了提高测量精度，我们对连续的几个输入脉冲进行计时，记录捕获寄存器的值，然后求其平均值，将平均值作为time 值，然后计算出输入信号的频率。

2）在输入脉冲波形的频率比较低时，由于STM32 单片机的定时器捕获寄

图1 数字频率计的原理框图

统，通过预处理，特征提取，模式识别等模块分别处理，训练顺利完成了对训练库内0-9 所有语音文件的语音识别。

统，通过预处理，特征提取，模式识别等模块分别处理，训练顺利完成了对训练库内0-9 所有语音文件的语音识别。

3.1 用户界面

MATLAB 提供了图形用户界面开发环境，这使得界面设计在可视化状态进行，设计过程变得简单直观，设计中利用GUI 开发界面建立了可识别0-9 汉语数字的MATLAB 仿真语音识别系统。该系统既操作方便，又界面友好，使用者可在不需要了解具体的程序代码和面对冗长的代码的情况下就可以方便的操作。图3 所示为用户界面。

3.2 仿真实验结果

选择“4”作为孤立词语音识别文件进行训练，经过预处理，特征提取，模板训练，模式识别等过程达到了良好的识别效果，图4 为仿真实验结果。

4 结论

本文介绍了语音识别开发的过程, 分析了前端预处理、端点检测以及特征参数提取的原理和算法，在模式匹配方面采用动态时间规整算法，并用MATLAB 中用图形用户界面进行演示，仿真表明该算法能有效进行孤立词语音识别，并能有效减小噪声所带来的训练模型与测试语音之间的失配。

【参考文献】

[1] 王明奇. 基于HMM 的孤立词语音识别系统的研究[D]. 中南大学, 2007.

[2] 付丽辉. 语音识别关键性技术的MATLAB 仿真实现[J]. 仪器仪表用户, 2010

[3] 王文延. 匹配追踪时频分解算法的端点检测方法[J]. 声学技术, 2007

[4] 张培玲, 成凌飞. 基于MATLAB 的汉语数字语音识别系统[J]. 机械管理开发, 2011

图4（a）原始波形、放大结束出波形图 图4（b）短时过零率、短时能量

图4（c） 设置门限 图4（d）端点检测、滤波

图4(e) 显示功率谱图4(f) 显示结果为“4”