一種高可靠性的頻率測量系統(tǒng)
1 引言
頻率是電力電子系統(tǒng)中1個基本的物理量，其測量問題在工程應用中非常重要。通常的測量方案是選用單片機或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場合，工作環(huán)境惡劣，要求測量精度高、可靠性強，使用常規(guī)的方案難以達到要求，或成本過高。本文提出了一種基于PC104測控計算機的頻率測量系統(tǒng)，依據(jù)初步測試得到的待測頻率大小選用不同的基準頻率，測量精度達到0.2%，且實現(xiàn)了同時測量多路信號的頻率。
2 總體設計
交變信號的頻率是指單位時間內(nèi)信號周期性變化的次數(shù)，即發(fā)fx =N/t，可見測量fx須將N或t作為基準，對另一個量進行測量［1］?；镜臏y量頻率方法有兩種：一種是測頻法，由測量電路給出標準閘門信號t =Tr，測出待測信號在一定的時間間隔Tr內(nèi)重復變化次數(shù)N， 得被測信號的頻率為；另一種方法是測周期法，由測量電路提供標準頻率信號fr，以被測信號的周期作為閘門，測出在一個被測信號周期內(nèi)標準信號fr的個數(shù)N，得到被測信號的頻率為。兩種方法均存在計數(shù)器的±1量化誤差，測頻法的相對誤差，測周期法的相對誤差。前者fx位于分母，其值越大誤差越小，因此對于高頻信號有較高的精度，而后者fx位于分子，值越小誤差越小，對低頻信號的測量精度較高。本文以測周期法為原理，提出的測頻方案如圖1所示。以PC104測控計算機為硬件平臺，設計調(diào)理模塊對信號進行調(diào)理，通過PC104總線輸入到操作系統(tǒng)平臺上，由數(shù)據(jù)處理算法進行處理，并在液晶顯示器上顯示。
圖1 測頻方案示意圖
3 硬件設計
本文以PC104測控計算機為硬件平臺，選用的功能模塊有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以實現(xiàn)多路頻率信號的同時測量。PC104與標準臺式PC（PC/AT）體系結構完全兼容，并且具有結構緊湊，體積小，功耗低，使用溫度范圍寬（-45℃～85℃），可靠性高（單個模塊MTBF》20萬h），抗惡劣環(huán)境，堅固耐用等優(yōu)點，從而保證了產(chǎn)品的生命周期［2-3］。
對多路待測頻率信號進行分類，將存在先后測試順序的頻率信號共用一組檢測電路進行調(diào)理，利用多路開關實現(xiàn)信號之間的切換。在測量過程中，實際輸入信號存在不確定性及抖動等問題，為了提高測量精度，首先對待測信號進行預處理，通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，接著進行線性放大，再經(jīng)過零比較器整形為矩形波信號，最后通過雙穩(wěn)態(tài)電路輸入PC104功能模塊卡。
傳統(tǒng)的測量周期原理框圖如圖2所示。在待測頻率的1個周期中，高電平時間計數(shù)器閘門打開進行計數(shù)，低電平時關閉，通過測量出高電平時間計算出信號周期。但是如果遇到干擾，待測頻率上升沿和下降沿輕微變化時， 計數(shù)就會產(chǎn)生一個脈沖的讀數(shù)誤差。同時，對于占空比未知的信號，采用此原理無法測出準確頻率。
因此，為減小誤差，并且能測量占空比未知的信號，所提出的測頻方案首先將待測信號分頻，使測頻時間為待測頻率信號周期的整數(shù)倍，而與占空比無關，如圖3所示。另外對于高頻和低頻信號，采用不同的分頻系數(shù)，以提高測量精度。對于1kHz以下的信號進行二分頻，1kHz以上的信號進行四分頻。
圖3改進的測頻方法原理框圖
圖4：硬件電路圖
硬件電路原理圖如圖4所示。
4 軟件設計
選用NI公司的LabWindows/CVI為軟件開發(fā)環(huán)境，它以ANSIC為核心，有機結合了數(shù)據(jù)采集、分析和顯示等工具，為自動檢測系統(tǒng)提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。待測信號較多時，如果使用單一線程，會造成測量或激勵沖突，導致系統(tǒng)死機，難以保證實時性。為避免這一現(xiàn)象，在頻率量測量程序中，本文使用了多線程技術——線程池。線程池實現(xiàn)了多個任務分時占有CPU，可在一個時間段內(nèi)并行完成多個任務，適用于需要不連續(xù)地執(zhí)行多次或在循環(huán)中執(zhí)行的任務［4］。同時，軟件使用SQLToolkit工具包，記錄測試數(shù)據(jù)，并可進行離線數(shù)據(jù)分析。軟件系統(tǒng)示意圖如圖5。為了測量多路信號，使用三種功能模塊同時測量。
圖5：軟件結構示意圖
4.1 DMM-32-XT模塊測頻
DMM-32-XT的板載頻率有10kHz和10MHz兩種，根據(jù)輸入頻率的不同，選用不同的板載頻率來測量。首先用10kHz進行測頻。計數(shù)器是減記數(shù)的方式，所以在檢測到低電平時，往計數(shù)器0賦初值0；當遇到高電平時，計數(shù)器自動開始減數(shù)。直到再次遇到低電平時停止。這時，將計數(shù)器中的值鎖存并讀出。先從計數(shù)器讀出低位low，再讀出高位high。可求出頻率為：
為使測量誤差小于0.5%，由得fx≤50，如果待測頻率分頻后大于50Hz，為了精度更高，將選用10MHz的板載頻率再次測量，過程相同。程序流程圖如圖6。
4.2 OMM-XT模塊測頻
OMM-XT模塊只有一種大小為4MHz的板載頻率，在測低頻時，以4MHz作為基準頻率，計數(shù)器會產(chǎn)生溢出。為解決這個問題，將計數(shù)器1和計數(shù)器2的級連，把計數(shù)器1的輸出設置為計數(shù)器2的輸入。計數(shù)器1對4MHz分頻，產(chǎn)生50kHz的方波，計數(shù)器2用此頻率作為基準頻率計數(shù)。而在測高頻時，只用計數(shù)器2進行測頻即可。
為使測量誤差小于0.5%，由得fx≤250，為了保留一定的裕度，設定fx≥200時換用測高頻方式，即只用計數(shù)器2進行測頻。同理，由
得fx≤20kHz，當待測信號頻率大于20kHz時，精度無法保證，因此該法只適用于20kHz以下的頻率。
4.3 GPIO-MM-XT模塊測頻
GPIO-MM-XT功能模塊是基于FPGA的PC104計數(shù)器和數(shù)字I/O模塊，嵌入兩個CTS9513計數(shù)邏輯器件。其板載頻率為40MHz，軟件可配置16分頻、256分頻、4096分頻、65536分頻，得到大小不同的基準頻率。測頻原理類似于上述模塊。程序流程圖如圖7。
圖6 DMM-32X-AT模塊測頻流程圖
圖7 GPIO模塊測頻流程圖
5 實驗結果
使用EE1411型合成函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號作為輸入，對每個信號進行10次測量，得到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示，可見測量誤差在0.2%以下。
6 結論
本文詳細論述了一種高精度頻率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設計上充分考慮了現(xiàn)場使用環(huán)境的特點和用戶需求，并為離線數(shù)據(jù)分析處理提供方便。硬件上采用PC104總線模塊，保證系統(tǒng)的高可靠性。軟件平臺采用NI公司的LabWindows/CVI，軟件設計面向測試過程，界面友好，為功能擴展提供了良好基礎。經(jīng)實際測試表明，該系統(tǒng)用于電力電子測量中，滿足相應的測試要求和測試指標，操作簡單，可靠性好，檢測效率高，便于攜帶和維護。
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