一種高可靠性的頻率測(cè)量系統(tǒng)
1 引言
頻率是電力電子系統(tǒng)中1個(gè)基本的物理量，其測(cè)量問題在工程應(yīng)用中非常重要。通常的測(cè)量方案是選用單片機(jī)或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場(chǎng)合，工作環(huán)境惡劣，要求測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)，使用常規(guī)的方案難以達(dá)到要求，或成本過高。本文提出了一種基于PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)的頻率測(cè)量系統(tǒng)，依據(jù)初步測(cè)試得到的待測(cè)頻率大小選用不同的基準(zhǔn)頻率，測(cè)量精度達(dá)到0.2%，且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量多路信號(hào)的頻率。
2 總體設(shè)計(jì)
交變信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)周期性變化的次數(shù)，即發(fā)fx =N/t，可見測(cè)量fx須將N或t作為基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量［1］?；镜臏y(cè)量頻率方法有兩種：一種是測(cè)頻法，由測(cè)量電路給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)t =Tr，測(cè)出待測(cè)信號(hào)在一定的時(shí)間間隔Tr內(nèi)重復(fù)變化次數(shù)N， 得被測(cè)信號(hào)的頻率為；另一種方法是測(cè)周期法，由測(cè)量電路提供標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fr，以被測(cè)信號(hào)的周期作為閘門，測(cè)出在一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)fr的個(gè)數(shù)N，得到被測(cè)信號(hào)的頻率為。兩種方法均存在計(jì)數(shù)器的±1量化誤差，測(cè)頻法的相對(duì)誤差，測(cè)周期法的相對(duì)誤差。前者fx位于分母，其值越大誤差越小，因此對(duì)于高頻信號(hào)有較高的精度，而后者fx位于分子，值越小誤差越小，對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量精度較高。本文以測(cè)周期法為原理，提出的測(cè)頻方案如圖1所示。以PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過PC104總線輸入到操作系統(tǒng)平臺(tái)上，由數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行處理，并在液晶顯示器上顯示。
圖1 測(cè)頻方案示意圖
3 硬件設(shè)計(jì)
本文以PC104測(cè)控計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，選用的功能模塊有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以實(shí)現(xiàn)多路頻率信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。PC104與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式PC（PC/AT）體系結(jié)構(gòu)完全兼容，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，使用溫度范圍寬（-45℃～85℃），可靠性高（單個(gè)模塊MTBF》20萬h），抗惡劣環(huán)境，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了產(chǎn)品的生命周期［2-3］。
對(duì)多路待測(cè)頻率信號(hào)進(jìn)行分類，將存在先后測(cè)試順序的頻率信號(hào)共用一組檢測(cè)電路進(jìn)行調(diào)理，利用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的切換。在測(cè)量過程中，實(shí)際輸入信號(hào)存在不確定性及抖動(dòng)等問題，為了提高測(cè)量精度，首先對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào)，接著進(jìn)行線性放大，再經(jīng)過零比較器整形為矩形波信號(hào)，最后通過雙穩(wěn)態(tài)電路輸入PC104功能模塊卡。
傳統(tǒng)的測(cè)量周期原理框圖如圖2所示。在待測(cè)頻率的1個(gè)周期中，高電平時(shí)間計(jì)數(shù)器閘門打開進(jìn)行計(jì)數(shù)，低電平時(shí)關(guān)閉，通過測(cè)量出高電平時(shí)間計(jì)算出信號(hào)周期。但是如果遇到干擾，待測(cè)頻率上升沿和下降沿輕微變化時(shí)， 計(jì)數(shù)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖的讀數(shù)誤差。同時(shí)，對(duì)于占空比未知的信號(hào)，采用此原理無法測(cè)出準(zhǔn)確頻率。
因此，為減小誤差，并且能測(cè)量占空比未知的信號(hào)，所提出的測(cè)頻方案首先將待測(cè)信號(hào)分頻，使測(cè)頻時(shí)間為待測(cè)頻率信號(hào)周期的整數(shù)倍，而與占空比無關(guān)，如圖3所示。另外對(duì)于高頻和低頻信號(hào)，采用不同的分頻系數(shù)，以提高測(cè)量精度。對(duì)于1kHz以下的信號(hào)進(jìn)行二分頻，1kHz以上的信號(hào)進(jìn)行四分頻。
圖3改進(jìn)的測(cè)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(shè)計(jì)
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(jī)結(jié)合了數(shù)據(jù)采集、分析和顯示等工具，為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。待測(cè)信號(hào)較多時(shí)，如果使用單一線程，會(huì)造成測(cè)量或激勵(lì)沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)，難以保證實(shí)時(shí)性。為避免這一現(xiàn)象，在頻率量測(cè)量程序中，本文使用了多線程技術(shù)——線程池。線程池實(shí)現(xiàn)了多個(gè)任務(wù)分時(shí)占有CPU，可在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)并行完成多個(gè)任務(wù)，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(wù)［4］。同時(shí)，軟件使用SQLToolkit工具包，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析。軟件系統(tǒng)示意圖如圖5。為了測(cè)量多路信號(hào)，使用三種功能模塊同時(shí)測(cè)量。
圖5：軟件結(jié)構(gòu)示意圖
4.1 DMM-32-XT模塊測(cè)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(cè)量。首先用10kHz進(jìn)行測(cè)頻。計(jì)數(shù)器是減記數(shù)的方式，所以在檢測(cè)到低電平時(shí)，往計(jì)數(shù)器0賦初值0；當(dāng)遇到高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)開始減數(shù)。直到再次遇到低電平時(shí)停止。這時(shí)，將計(jì)數(shù)器中的值鎖存并讀出。先從計(jì)數(shù)器讀出低位low，再讀出高位high?？汕蟪鲱l率為：
為使測(cè)量誤差小于0.5%，由得fx≤50，如果待測(cè)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(cè)量，過程相同。程序流程圖如圖6。
4.2 OMM-XT模塊測(cè)頻
OMM-XT模塊只有一種大小為4MHz的板載頻率，在測(cè)低頻時(shí)，以4MHz作為基準(zhǔn)頻率，計(jì)數(shù)器會(huì)產(chǎn)生溢出。為解決這個(gè)問題，將計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的級(jí)連，把計(jì)數(shù)器1的輸出設(shè)置為計(jì)數(shù)器2的輸入。計(jì)數(shù)器1對(duì)4MHz分頻，產(chǎn)生50kHz的方波，計(jì)數(shù)器2用此頻率作為基準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)。而在測(cè)高頻時(shí)，只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)行測(cè)頻即可。
為使測(cè)量誤差小于0.5%，由得fx≤250，為了保留一定的裕度，設(shè)定fx≥200時(shí)換用測(cè)高頻方式，即只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)行測(cè)頻。同理，由
得fx≤20kHz，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率大于20kHz時(shí)，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(cè)頻
GPIO-MM-XT功能模塊是基于FPGA的PC104計(jì)數(shù)器和數(shù)字I/O模塊，嵌入兩個(gè)CTS9513計(jì)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(zhǔn)頻率。測(cè)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(cè)頻流程圖
圖7 GPIO模塊測(cè)頻流程圖
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
使用EE1411型合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號(hào)作為輸入，對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行10次測(cè)量，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可見測(cè)量誤差在0.2%以下。
6 結(jié)論
本文詳細(xì)論述了一種高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的特點(diǎn)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(tái)采用NI公司的LabWindows/CVI，軟件設(shè)計(jì)面向測(cè)試過程，界面友好，為功能擴(kuò)展提供了良好基礎(chǔ)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)用于電力電子測(cè)量中，滿足相應(yīng)的測(cè)試要求和測(cè)試指標(biāo)，操作簡(jiǎn)單，可靠性好，檢測(cè)效率高，便于攜帶和維護(hù)。
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