ARM的等精度測(cè)頻在機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)控中的應(yīng)用

傳統(tǒng)測(cè)量方法有2種，一種是測(cè)頻法(M 法)，是對(duì)被測(cè)信號(hào)在閘門時(shí)間(T—Nfo，N 個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)脈沖的時(shí)間)內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為M)，被測(cè)信號(hào)的頻率為，誤差為

　　另一種是測(cè)周法(T法)，是在被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為N)，被測(cè)信號(hào)的頻率為， 誤差為。

　　其中，為基準(zhǔn)信號(hào)頻率準(zhǔn)確度，通常可達(dá)；對(duì)于測(cè)頻法，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，對(duì)于任意的f不能保證在T時(shí)間內(nèi)正好有M 個(gè)T ，因此會(huì)產(chǎn)生最大±1個(gè)T 的量化誤差，并且隨著被測(cè)頻率f 減小，M 減小，誤差越大，因此，測(cè)頻法只對(duì)高頻信號(hào)有較好的測(cè)量精度；對(duì)于測(cè)周法，隨著被測(cè)頻率．f 增大，N 越小，誤差越大，因此測(cè)周法只對(duì)低頻信號(hào)有較好的測(cè)量精度。在測(cè)量范圍比較寬時(shí)，采用上述2種方法相結(jié)合的方式，無(wú)疑對(duì)提高測(cè)量精度是有效的，但又存在著如下問(wèn)題：一是整個(gè)頻段測(cè)量精度不一致；二是中界頻率附近頻繁切換測(cè)量方法，誤差大，實(shí)時(shí)性差。

　　2 等精度測(cè)量方法的原理及誤差分析

　　等精度測(cè)頻法是在傳統(tǒng)測(cè)頻方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的測(cè)頻方法，并且在各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)頻中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　等精度測(cè)頻法原理如圖1所示。

　　設(shè)置2個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器1對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。預(yù)先設(shè)置一個(gè)閘門時(shí)間T，測(cè)量開(kāi)始后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)前沿到來(lái)時(shí)，同步打開(kāi)計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2開(kāi)始計(jì)數(shù)，閘門時(shí)間到達(dá)后，計(jì)數(shù)器I和計(jì)數(shù)器2都不停止計(jì)數(shù)，直到被測(cè)信號(hào)的前沿到來(lái)時(shí)，同步關(guān)閉計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2。被測(cè)信號(hào)的頻率可表示為：誤差為： ，其中M為計(jì)數(shù)器l計(jì)數(shù)值，N 為計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)值，f為基準(zhǔn)頻率，可以看出，它與傳統(tǒng)測(cè)頻法的表達(dá)式相同，不同的是，計(jì)數(shù)器1的工作是由被測(cè)脈沖同步開(kāi)啟和關(guān)閉，因此不存在計(jì)數(shù)誤差，即99 ，由此可見(jiàn)，這種方法的測(cè)量精度不隨被測(cè)信號(hào)的頻率變化而變化，在全量程范圍內(nèi)測(cè)量值顯示的有效位數(shù)相同，即等精度測(cè)量。一般情況下，1010 ，所以這種方法的測(cè)量誤差主要是對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)存在±1誤差引起的。因此可以看出，基準(zhǔn)信號(hào)頻率越高，在相同的閘門時(shí)間的情況下，測(cè)量精度越高。另外，閘門時(shí)間T越長(zhǎng)，計(jì)數(shù)N 越多，測(cè)量精度越高。然而，T和N 受多種因素制約，不可能任意增加，首先是工程的要求，要反映和了解轉(zhuǎn)速的變化程度，必須采用較短的時(shí)間。水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速在開(kāi)停過(guò)程中從0～5O Hz變化，不超過(guò)100 Hz，在實(shí)際應(yīng)用中，可適當(dāng)選擇閘門時(shí)間和基準(zhǔn)信號(hào)頻率，可使測(cè)量能夠在全頻段實(shí)現(xiàn)高精度的快速測(cè)量。

3 在ARM 測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方案

　　應(yīng)用等精度測(cè)量方法，機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)采用ARM7的LPC2214為CPU，LPC2214具有2個(gè)32位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器具有如下特性E ：

　　1)帶可編程32位預(yù)分頻器的32位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器。

　　2)每個(gè)定時(shí)器的4個(gè)32位捕獲通道可在輸入信號(hào)跳變時(shí)捕獲定時(shí)器的瞬時(shí)值。捕獲事件可選擇產(chǎn)生中斷。

　　3)4個(gè)32位匹配寄存器：① 連續(xù)操作，可選擇在匹配時(shí)產(chǎn)生中斷；② 匹配時(shí)停止定時(shí)器，可選擇產(chǎn)生中斷；③ 匹配時(shí)復(fù)位定時(shí)器，可選擇產(chǎn)生中斷。

　　4)每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)對(duì)應(yīng)于匹配寄存器的外部輸出，具有下列特性：① 匹配時(shí)置低電平；② 匹配時(shí)置高電平；③ 匹配時(shí)翻轉(zhuǎn)；④ 匹配時(shí)不變。

　　本系統(tǒng)中采用了定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0的匹配功能，用來(lái)控制閘門時(shí)間，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1的捕獲功能，用來(lái)監(jiān)測(cè)被測(cè)信號(hào)。被測(cè)信號(hào)通過(guò)硬件整形電路變成與其頻率一致的方波信號(hào)，接入定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1的捕獲管腳，開(kāi)放其捕獲中斷功能，軟件響應(yīng)中斷并進(jìn)行相應(yīng)的處理。計(jì)數(shù)頻率為2．211 840 MHz，閘門時(shí)間為0．5 s，誤差為1111 ，其中，1212 ，所以可以得出，理論上，等精度測(cè)頻在本系統(tǒng)中的測(cè)量精度優(yōu)于 ，完全可以滿足工程需要。

　　在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中，為提高測(cè)量的可靠性，采用電氣(機(jī)端殘壓)信號(hào)和齒盤機(jī)械脈沖信號(hào)2種信號(hào)類型同時(shí)輸入的測(cè)量方式，計(jì)算得到的頻率值用于顯示，開(kāi)出控制等。測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)程序主要包括初始化定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，捕獲中斷處理，頻率計(jì)算，顯示，開(kāi)出控制等子程序，系統(tǒng)流程如圖3所示。

　　使用RIGOL函數(shù)／任意波形發(fā)生器，產(chǎn)生頻率變化的正弦波形：① 500 S內(nèi)模擬波形頻率從100 Hz下降到0．2 Hz，下降梯度為0．199 6 Hz／s； ②模擬波形頻率從100 Hz下降至1 Hz再?gòu)? Hz上升至100 Hz，每10 Hz持續(xù)18 S；③每0．5 s記錄一次測(cè)量數(shù)據(jù)，分別得到如圖4所示波形1和波形2。

　　實(shí)驗(yàn)證明，利用等精度測(cè)頻方式頻率，可以在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)取得比較高的測(cè)量精度，本測(cè)試系統(tǒng)的最大相對(duì)誤差小于1O～。閘門時(shí)間為0．5 S，可快速反應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　等精度測(cè)量方法與傳統(tǒng)測(cè)量的測(cè)頻法和測(cè)周法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)全頻段內(nèi)等精度，大大提高了測(cè)量精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用等精度測(cè)量方法，測(cè)量的最大相對(duì)誤差優(yōu)于 ，閘門時(shí)間可變，能夠快速反應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。開(kāi)發(fā)的SJ一22D微機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置已在多個(gè)水電站(廠)投入應(yīng)用，運(yùn)行準(zhǔn)確可靠。