ARM的等精度测频在机组转速测控中的应用

传统测量方法有2种，一种是测频法(M 法)，是对被测信号在闸门时间(T—Nfo，N 个基准信号脉冲的时间)内的脉冲进行计数(计数值为M)，被测信号的频率为，误差为

　　另一种是测周法(T法)，是在被测信号一个周期内对基准脉冲计数(计数值为N)，被测信号的频率为， 误差为。

　　其中，为基准信号频率准确度，通常可达；对于测频法，在相同的闸门时间内，对于任意的f不能保证在T时间内正好有M 个T ，因此会产生最大±1个T 的量化误差，并且随着被测频率f 减小，M 减小，误差越大，因此，测频法只对高频信号有较好的测量精度；对于测周法，随着被测频率．f 增大，N 越小，误差越大，因此测周法只对低频信号有较好的测量精度。在测量范围比较宽时，采用上述2种方法相结合的方式，无疑对提高测量精度是有效的，但又存在着如下问题：一是整个频段测量精度不一致；二是中界频率附近频繁切换测量方法，误差大，实时性差。

　　2 等精度测量方法的原理及误差分析

　　等精度测频法是在传统测频方法基础上发展起来的测频方法，并且在各个领域的测频中得到了越来越多的应用。

　　等精度测频法原理如图1所示。

　　设置2个计数器，计数器1对被测信号进行计数，计数器2对基准信号进行计数。预先设置一个闸门时间T，测量开始后，当被测信号的下一个前沿到来时，同步打开计数器1和计数器2开始计数，闸门时间到达后，计数器I和计数器2都不停止计数，直到被测信号的前沿到来时，同步关闭计数器1和计数器2。被测信号的频率可表示为：误差为： ，其中M为计数器l计数值，N 为计数器2计数值，f为基准频率，可以看出，它与传统测频法的表达式相同，不同的是，计数器1的工作是由被测脉冲同步开启和关闭，因此不存在计数误差，即99 ，由此可见，这种方法的测量精度不随被测信号的频率变化而变化，在全量程范围内测量值显示的有效位数相同，即等精度测量。一般情况下，1010 ，所以这种方法的测量误差主要是对基准信号的计数存在±1误差引起的。因此可以看出，基准信号频率越高，在相同的闸门时间的情况下，测量精度越高。另外，闸门时间T越长，计数N 越多，测量精度越高。然而，T和N 受多种因素制约，不可能任意增加，首先是工程的要求，要反映和了解转速的变化程度，必须采用较短的时间。水轮机组转速在开停过程中从0～5O Hz变化，不超过100 Hz，在实际应用中，可适当选择闸门时间和基准信号频率，可使测量能够在全频段实现高精度的快速测量。

3 在ARM 测量系统中的实现方案

　　应用等精度测量方法，机组转速测控系统采用ARM7的LPC2214为CPU，LPC2214具有2个32位的定时器／计数器，每个定时器／计数器具有如下特性E ：

　　1)带可编程32位预分频器的32位定时器／计数器。

　　2)每个定时器的4个32位捕获通道可在输入信号跳变时捕获定时器的瞬时值。捕获事件可选择产生中断。

　　3)4个32位匹配寄存器：① 连续操作，可选择在匹配时产生中断；② 匹配时停止定时器，可选择产生中断；③ 匹配时复位定时器，可选择产生中断。

　　4)每个定时器有4个对应于匹配寄存器的外部输出，具有下列特性：① 匹配时置低电平；② 匹配时置高电平；③ 匹配时翻转；④ 匹配时不变。

　　本系统中采用了定时器／计数器0的匹配功能，用来控制闸门时间，定时器／计数器1的捕获功能，用来监测被测信号。被测信号通过硬件整形电路变成与其频率一致的方波信号，接入定时器／计数器1的捕获管脚，开放其捕获中断功能，软件响应中断并进行相应的处理。计数频率为2．211 840 MHz，闸门时间为0．5 s，误差为1111 ，其中，1212 ，所以可以得出，理论上，等精度测频在本系统中的测量精度优于 ，完全可以满足工程需要。

　　在水轮机转速测控系统中，为提高测量的可靠性，采用电气(机端残压)信号和齿盘机械脉冲信号2种信号类型同时输入的测量方式，计算得到的频率值用于显示，开出控制等。测量系统电路结构框图如图2所示。

　　系统程序主要包括初始化定时器／计数器，捕获中断处理，频率计算，显示，开出控制等子程序，系统流程如图3所示。

　　使用RIGOL函数／任意波形发生器，产生频率变化的正弦波形：① 500 S内模拟波形频率从100 Hz下降到0．2 Hz，下降梯度为0．199 6 Hz／s； ②模拟波形频率从100 Hz下降至1 Hz再从1 Hz上升至100 Hz，每10 Hz持续18 S；③每0．5 s记录一次测量数据，分别得到如图4所示波形1和波形2。

　　实验证明，利用等精度测频方式频率，可以在整个测量范围内取得比较高的测量精度，本测试系统的最大相对误差小于1O～。闸门时间为0．5 S，可快速反应机组转速的变化。

　　4 结语

　　等精度测量方法与传统测量的测频法和测周法相比，能够实现全频段内等精度，大大提高了测量精度。试验结果表明，在水轮机转速测控系统中应用等精度测量方法，测量的最大相对误差优于 ，闸门时间可变，能够快速反应机组转速的变化。开发的SJ一22D微机转速测控装置已在多个水电站(厂)投入应用，运行准确可靠。