基于ARM的等精度測頻在機組轉速測控中的應用

　　1 傳統測量方法的原理及誤差分析

　　傳統測量方法有2種，一種是測頻法(M 法)，是對被測信號在閘門時間(T—Nfo，N 個基準信號脈沖的時間)內的脈

內，對于任意的f不能保證在T時間內正好有M 個T ，因此會產生最大±1個T 的量化誤差，并且隨著被測頻率f 減小，M 減小，誤差越大，因此，測頻法只對高頻信號有較好的測量精度；對于測周法，隨著被測頻率．f 增大，N 越小，誤差越大，因此測周法只對低頻信號有較好的測量精度。在測量范圍比較寬時，采用上述2種方法相結合的方式，無疑對提高測量精度是有效的，但又存在著如下問題：一是整個頻段測量精度不一致；二是中界頻率附近頻繁切換測量方法，誤差大，實時性差。

　　2 等精度測量方法的原理及誤差分析

　　等精度測頻法是在傳統測頻方法基礎上發(fā)展起來的測頻方法，并且在各個領域的測頻中得到了越來越多的應用。

　　等精度測頻法原理如圖1所示。

　　設置2個計數器，計數器1對被測信號進行計數，計數器2對基準信號進行計數。預先設置一個閘門時間T，測量開始后，當被測信號的下一個前沿到來時，同步打開計數器1和計數器2開始計數，閘門時間到達后，計數器I和計數器2都不停止計數，直到被測信號的前沿到來時，同步關閉計數器1和計數器2。被測信號的頻率可表示為：誤差為： ，其中M為計數器l計數值，N 為計數器2計數值，f為基準頻率，可以看出，它與傳統測頻法的表達式相同，不同的是，計數器1的工作是由被測脈沖同步開啟和關閉，因此不存在計數誤差，即 99 ，由此可見，這種方法的測量精度不隨被測信號的頻率變化而變化，在全量程范圍內測量值顯示的有效位數相同，即等精度測量。一般情況下，1010 ，所以這種方法的測量誤差主要是對基準信號的計數存在±1誤差引起的。因此可以看出，基準信號頻率越高，在相同的閘門時間的情況下，測量精度越高。另外，閘門時間T越長，計數N 越多，測量精度越高。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，要反映和了解轉速的變化程度，必須采用較短的時間。水輪機組轉速在開停過程中從0～5O Hz變化，不超過100 Hz，在實際應用中，可適當選擇閘門時間和基準信號頻率，可使測量能夠在全頻段實現高精度的快速測量。

?　　3 在ARM 測量系統中的實現方案

　　應用等精度測量方法，機組轉速測控系統采用ARM7的LPC2214為CPU，LPC2214具有2個32位的定時器／計數器，每個定時器／計數器具有如下特性E ：

　　1)帶可編程32位預分頻器的32位定時器／計數器。

　　2)每個定時器的4個32位捕獲通道可在輸入信號跳變時捕獲定時器的瞬時值。捕獲事件可選擇產生中斷?！?)4個32位匹配寄存器：① 連續(xù)操作，可選擇在匹配時產生中斷；② 匹配時停止定時器，可選擇產生中斷；③ 匹配時復位定時器，可選擇產生中斷。

　　4)每個定時器有4個對應于匹配寄存器的外部輸出，具有下列特性：① 匹配時置低電平；② 匹配時置高電平；③ 匹配時翻轉；④ 匹配時不變。

　　本系統中采用了定時器／計數器0的匹配功能，用來控制閘門時間，定時器／計數器1的捕獲功能，用來監(jiān)測被測信號。被測信號通過硬件整形電路變成與其頻率一致的方波信號，接入定時器／計數器1的捕獲管腳，開放其捕獲中斷功能，軟件響應中斷并進行相應的處理。計數頻率為2．211 840 MHz，閘門時間為0．5 s，誤差為1111 ，其中，1212 ，所以可以得出，理論上，等精度測頻在本系統中的測量精度優(yōu)于 ，完全可以滿足工程需要。

　　在水輪機轉速測控系統中，為提高測量的可靠性，采用電氣(機端殘壓)信號和齒盤機械脈沖信號2種信號類型同時輸入的測量方式，計算得到的頻率值用于顯示，開出控制等。測量系統電路結構框圖如圖2所示。

　　系統程序主要包括初始化定時器／計數器，捕獲中斷處理，頻率計算，顯示，開出控制等子程序，系統流程如圖3所示。

　　使用RIGOL函數／任意波形發(fā)生器，產生頻率變化的正弦波形：① 500 S內模擬波形頻率從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再從1 Hz上升至100 Hz，每10 Hz持續(xù)18 S；③每0．5 s記錄一次測量數據，分別得到如圖4所示波形1和波形2。

　　實驗證明，利用等精度測頻方式頻率，可以在整個測量范圍內取得比較高的測量精度，本測試系統的最大相對誤差小于1O～。閘門時間為0．5 S，可快速反應機組轉速的變化。

　　4 結語

　　等精度測量方法與傳統測量的測頻法和測周法相比，能夠實現全頻段內等精度，大大提高了測量精度。試驗結果表明，在水輪機轉速測控系統中應用等精度測量方法，測量的最大相對誤差優(yōu)于 ，閘門時間可變，能夠快速反應機組轉速的變化。開發(fā)的SJ一22D微機轉速測控裝置已在多個水電站(廠)投入應用，運行準確可靠。