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(gè)基本的物理量，其測量問題在工程應(yīng)用中非常重要。通常的測量方案是選用單片機(jī)或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場合，工作環(huán)境惡劣，要求測量精度高、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測控計(jì)算機(jī)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(zhǔn)頻率，測量精度達(dá)到0.2%，且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測量多路信號的頻率。

2 總體設(shè)計(jì)

交變信號的頻率是指單位時(shí)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(zhǔn)，對另一個(gè)量進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)閘門信號t =Tr，測出待測信號在一定的時(shí)間間隔Tr內(nèi)重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)頻率信號fr，以被測信號的周期作為閘門，測出在一個(gè)被測信號周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號fr的個(gè)數(shù)N，得到被測信號的頻率為 。兩種方法均存在計(jì)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(jì)算機(jī)為硬件平臺，設(shè)計(jì)調(diào)理模塊對信號進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)

本文以PC104測控計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)多路頻率信號的同時(shí)測量。PC104與標(biāo)準(zhǔn)臺式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]。

對多路待測頻率信號進(jìn)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(jìn)行調(diào)理，利用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號之間的切換。在測量過程中，實(shí)際輸入信號存在不確定性及抖動(dòng)等問題，為了提高測量精度，首先對待測信號進(jìn)行預(yù)處理，通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，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，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(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，通過測量出高電平時(shí)間計(jì)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(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)，對于占空比未知的信號，采用此原理無法測出準(zhǔn)確頻率。

圖2 傳統(tǒng)的周期法測頻原理框圖

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(shí)間為待測頻率信號周期的整數(shù)倍，而與占空比無關(guān)，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(jìn)行二分頻，1kHz以上的信號進(jìn)行四分頻。硬件電路原理圖如圖4所示。

圖3改進(jìn)的測頻方法原理框圖

圖4 硬件電路圖

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)檢測系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。待測信號較多時(shí)，如果使用單一線程，會(huì)造成測量或激勵(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。為了測量多路信號，使用三種功能模塊同時(shí)測量。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)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(jìn)行測頻。計(jì)數(shù)器是減記數(shù)的方式，所以在檢測到低電平時(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。

圖6 DMM-32X-AT模塊測頻流程圖

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(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)。而在測高頻時(shí)，只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)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(shè)定fx≥200時(shí)換用測高頻方式，即只用計(jì)數(shù)器2進(jìn)行測頻。同理，由 得fx≤2kHz，當(dāng)待測信號頻率大于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。測頻原理類似于上述模塊。程序流程圖如圖7。

圖7 GPIO模塊測頻流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)信號進(jìn)行10次測量，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可見測量誤差在0.2%以下。表1 頻率測量結(jié)果

6 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一種高精度頻率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了現(xiàn)場使用環(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。軟件平臺采用NI公司的LabWindows/CVI，軟件設(shè)計(jì)面向測試過程，界面友好，為功能擴(kuò)展提供了良好基礎(chǔ)。經(jīng)實(shí)際測試表明，該系統(tǒng)用于電力電子測量中，滿足相應(yīng)的測試要求和測試指標(biāo)，操作簡單，可靠性好，檢測效率高，便于攜帶和維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曉榮，蔡萍，周洪全.基于單片機(jī)的頻率測量的幾種實(shí)用方法[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003,(01) :40

[2] 梁旭，李行善，袁海文.一種基于PC104總線的航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢查儀的研制[A].全國第二屆總線技術(shù)與測控系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集[C].2001：53-56

[3] 連業(yè)耀，袁海文，劉穎異.基于PC104的某型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)檢查儀的研制[A].金剛.2010年航空試驗(yàn)測試技術(shù)峰會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].北京:《測控技術(shù)》雜志社,2010:48-51

[4] Logan.w.k．Adding Reliability and Determinism to Your ATE System with LabWindows/CVI Real-Time[A]．IEEE Systems Readiness Technology Conference[C] , America:2006：784-788■