在水輪機調(diào)速器中，機組頻率的測量直接關(guān)系到調(diào)速器整機性能的優(yōu)劣，而調(diào)速器的品質(zhì)與性能直接影響到電能的品質(zhì)和水電站的安全可靠運行, 故機組頻率的測量是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)[1]。目前，基于PLC調(diào)速器的測頻方法主要有單片機測頻和PLC本體高速計數(shù)模塊測頻2種方式[2]。PLC高速計數(shù)模塊的測頻與單片機測頻相比，具有整體性好、可靠性高的優(yōu)點，但對PLC硬件配置有較高要求，如須具備1 MHz以上計數(shù)模塊，這將顯著增加調(diào)速器的硬件成本，中小型調(diào)速器一般不適合采用此方案，大多采用單片機測頻方式。但現(xiàn)有單片機測頻方式一般均采用并行I/O與PLC傳輸頻率值，一方面占用了PLC大量的開關(guān)量輸入點[3]，另一方面并行數(shù)據(jù)傳輸存在同步問題，使得數(shù)據(jù)傳輸可靠性較差。為此，本文采用基于ARM7處理器的32位LPC2131微控制器為硬件核心，開發(fā)出高性能的頻率測量單元，很好地解決了PLC調(diào)速器頻率測量中存在的不足問題。
1 頻率測量基本原理
　 基于ARM處理器的LPC2131可編程調(diào)速器頻率測量總體框圖如圖1所示。

    取自發(fā)電機端電壓互感器和電網(wǎng)電壓互感器的測頻輸入信號，經(jīng)削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩(wěn)定波形，再經(jīng)施密特電路放大整形，得到正負(fù)幅值基本相等、占空比約為50%的方波[4]；然后，通過光電耦合器將輸出的機組頻率和電網(wǎng)頻率方波信號隔離后分別送入LPC2131微控制器CAP1.3功能捕獲引腳P0.18和CAP1.2功能捕獲引腳P0.19。CAP1.3和CAP1.2捕獲功能設(shè)置為上升沿與下降沿同時捕獲，即這2個功能引腳上的值由0到1跳變和由1到0跳變都會將當(dāng)時計數(shù)器值輸入相應(yīng)的捕獲寄存器中，同時產(chǎn)生中斷。對任一路管腳捕獲，取出2個相間隔的捕獲寄存器值相減，令其差值為N，在計數(shù)器頻率(時鐘頻率，令其為F_pclk)已知情況下，可得出2個相間隔捕獲點對應(yīng)時間值，即頻率信號周期值：
   
　 根據(jù)頻率與周期公式f=1/T可求出信號的頻率值。對得到的機組頻率和電網(wǎng)頻率計數(shù)器差值采用去極大極小值進行簡單的判斷濾波后，采用自由口通信協(xié)議通過串口UART0將其發(fā)送至PLC,在PLC控制器內(nèi)完成機組和電網(wǎng)頻率值計算。
2 測頻硬件與軟件
2.1 LPC2131微控制器
　 LPC2131是PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核、單電源供電及LQFP64封裝的微控制器,是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S型CPU的微控制器。LPC2131擁有2個符合’550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行口UART0和UART1,具有以下特性：16字節(jié)收發(fā)FIFO；寄存器位置符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；收發(fā)器觸發(fā)點可為1、4、8和14字節(jié)；內(nèi)置波特率發(fā)生器；包含使能軟件流控制器。LPC2131還帶有2個32位可編程定時/計數(shù)器，均具有4路捕獲和4路比較匹配與輸出電路。定時器對外設(shè)時鐘(pclk)周期進行計數(shù)，可選擇產(chǎn)生中斷或根據(jù)4個匹配寄存器的設(shè)定，在達到指定的定時值設(shè)定時執(zhí)行其他動作。它的4個捕獲輸入，用于在輸入信號發(fā)生跳變時捕獲定時器的瞬時值，并可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷[5]。
2.2 LPC2131微控制器定時器模塊
　 LPC2131微控制器定時器方框圖如圖2所示。定時器控制寄存器TCR用來使能或者復(fù)位計數(shù)器操作；預(yù)分頻寄存器PR用來分頻時鐘計數(shù)頻率；VPB時鐘頻率Fpclk為計數(shù)提供時鐘頻率；預(yù)分頻計數(shù)器PC是當(dāng)TCR使能后，在每個pclk周期加1，當(dāng)其達到預(yù)分頻寄存器PR中保存的值時，定時器計數(shù)器TC值加1，預(yù)分頻計數(shù)器在下一個周期復(fù)位；當(dāng)預(yù)分頻計數(shù)器達到上限時，定時器計數(shù)器TC值加1，當(dāng)達到計數(shù)上限0xFFFFFFFF后將翻轉(zhuǎn)到0x00000000；捕獲寄存器與1個對應(yīng)的器件引腳相關(guān)聯(lián)，當(dāng)引腳發(fā)生特定事件時，可將定時器計數(shù)的值裝入該寄存器；捕獲控制寄存器CCR用于當(dāng)捕獲事件發(fā)生時，確定是否裝入4個捕獲寄存器中的1個，以及是否產(chǎn)生中斷。

    本文選用定時器1作為兩路脈沖輸入捕獲計數(shù)器，利用它的兩路脈沖捕獲功能CAP1.2和CAP1.3捕獲經(jīng)整形后機組頻率和電網(wǎng)頻率的上升沿和下降沿信號，以CAP1.2為例，如圖3所示。通過CAP1.2捕獲功能，可以將每次上升沿和下降沿到來時對應(yīng)的計數(shù)器值裝載到T1CR2寄存器中,將連續(xù)3次捕獲時計數(shù)器值依次保存到CAPJ 0、CAPJ 1和CAPJ 2 3個定義存儲單元中，儲存單元對應(yīng)值為CAPJ 0、CAPJ 1和CAPJ 2，每完成1次T1CR2裝載即可求得1次相鄰上升沿或下降沿計數(shù)器差值TJ=CAPJ 0-CAPJ 2。本文設(shè)定計數(shù)時鐘不分頻，根據(jù)測周法原理，機組頻率值F_g為：

式中, F_pclk為VPB時鐘頻率,在不分頻情況下為11.059 2 MHz。設(shè)機組頻率為F_g=50 Hz，則周期T_g=0.02 s，測得的周期數(shù)N_g=0.02×11 059 200=221 184，測頻系統(tǒng)的理論分辨率為0.002 6 Hz，由此可見，此方法具有很高的分辨率。
2.3 測頻軟件流程
　 系統(tǒng)軟件由1個主程序和2個中斷子程序組成，如圖4所示。CAPJ0、CAPJ1和CAPJ2依次保存連續(xù)3個機組頻率信號捕獲對應(yīng)的寄存器值T1CR2，CAPX0、CAPX1和CAPX2依次保存連續(xù)3個電網(wǎng)頻率信號捕獲時對應(yīng)寄存器值T1CR3，TJ和TX分別表示機組頻率和電網(wǎng)頻率在1個周期內(nèi)計數(shù)器計數(shù)差值。

　 在系統(tǒng)軟件中，主程序完成各種設(shè)定功能初始化。捕獲中斷子程序完成對整形后的機組頻率和電網(wǎng)頻率信號捕獲，計算出信號在1個周期內(nèi)對應(yīng)的計數(shù)器計數(shù)值，并對其進行簡單判斷和濾波處理。在信號捕獲中采用同時捕獲上升沿和下降沿,計算計數(shù)器差值時上升沿和下降沿分開計算的方法，使得每半個周期就可獲得1次頻率值，相對1個周期或幾個周期才能求得1次頻率值的計算策略，它能夠更快反映機組頻率的波動情況，提高了調(diào)速器頻率響應(yīng)性，縮短了調(diào)速器不運轉(zhuǎn)的時間。
　 在數(shù)據(jù)發(fā)送程序中，將1個周期內(nèi)計數(shù)器差值通過UART0口采用串口通信方式發(fā)送到PLC控制器中，在PLC中完成信號頻率值計算。此處采用發(fā)送頻率信號計數(shù)器差值而不是計算后頻率值或周期值，一方面是整數(shù)比小數(shù)傳送方便，通信更加簡單；另一方面是頻率值或周期值具有多位小數(shù)，傳送時將丟失精度，不能保證頻率值的原始性。頻率值在PLC中計算完成后直接使用進行調(diào)速器控制PID計算，將使調(diào)速器控制過程更加精確。在數(shù)據(jù)發(fā)送程序中，完成喂狗操作，防止程序“跑飛”，同時對機組頻率和電網(wǎng)頻率信號是否消失進行判斷，增加控制過程可靠性。
2.4 容錯處理
　 在頻率測量中由于干擾影響，將造成頻率測量值誤差，如何濾除誤差保證控制的準(zhǔn)確性在頻率測量過程中也是一個重要環(huán)節(jié)。本文采用的是去極大極小值濾波法，即對連續(xù)三個頻率值，取中間值為正確值，去掉最大和最小值，大于100 Hz的頻率值作為錯誤值直接舍去，小于1 Hz的頻率值作為頻率信號消失處理。容錯處理流程圖如5所示，此處只以機組頻率為例進行分析，電網(wǎng)頻率與此相同。

3 與PLC通信
　 與PLC傳遞數(shù)據(jù)通信中，使用定時器0進行20 ms定時發(fā)送，PLC通過接收模塊接收數(shù)據(jù)。如圖2所示，匹配控制寄存器MCR用于設(shè)定當(dāng)發(fā)生匹配控制寄存器值與定時器計數(shù)值匹配時所執(zhí)行的操作(產(chǎn)生中斷、復(fù)位定時器計數(shù)器或停止定時器)；匹配控制寄存器值連續(xù)與定時器計數(shù)值相比較，當(dāng)兩值相等時自動觸發(fā)相應(yīng)動作；使用定時器0通過匹配控制器,就可完成20 ms的定時中斷。在與PLC的通信中，采用自由口通信協(xié)議的串行口通信[6]，改變了以往并口I/O傳送模式，簡化了通信的復(fù)雜度，提高了準(zhǔn)確率。
　 在頻率測量中，儲存器可存儲最大計數(shù)器值為0xFFFFFFFF,在理論上可測得的頻率最小值為0.002 7 Hz，根據(jù)實際情況設(shè)定頻率的測量范圍為1~100 Hz，對應(yīng)的周期計數(shù)值范圍為0xABC000～0x1B000,如果周期計數(shù)值大于0xABC000，即頻率小于1 Hz時作為頻率信號消失處理；如果周期計數(shù)值小于0x1B000,即頻率大于100 Hz時作為頻率信號干擾處理。在與PLC通信中，PLC接收模塊為字節(jié)接收，故每次最多傳送1個字節(jié)，對周期計數(shù)值完成一次傳送需要用3個字節(jié)分開發(fā)送；為了保證傳送準(zhǔn)確性，需要在每1次傳送的信息上增加起始字符和結(jié)束字符進行信息接收啟動和信息接收結(jié)束判斷，起始字符和結(jié)束字符為規(guī)定的某個唯一的標(biāo)志字符，此處選用0x53和0x4F。為避免傳送周期計數(shù)值某個字節(jié)與開始或結(jié)束判斷字符相同導(dǎo)致傳送錯誤，每次傳送的數(shù)據(jù)只能占用4位即1個字節(jié)的后4位，這樣才能保證其值始終不大于0x0F。根據(jù)上面分析，則每傳送1個周期計數(shù)值就需要分6次按6個字節(jié)傳送，機組周期計數(shù)值、電網(wǎng)周期計數(shù)值和開始、結(jié)束字符完成1次傳送總共需要14個字節(jié)。傳送波特率設(shè)定為115 200 b/s，則每完成1次傳送需要的時間t=14×8÷115 200=0.972 ms。由此可知數(shù)據(jù)傳輸延遲時間極短，完全可以彌補外設(shè)測量模塊與內(nèi)部測量模塊對數(shù)據(jù)采集及時性的差異，達到測量的數(shù)據(jù)即為通信方式測量頻率,基本不影響PLC控制操作，同時其傳遞準(zhǔn)確性得到充分保障。
　 LPC2131微控制器擁有16 B的FIFO(保持寄存器），在發(fā)送過程中,只需將所要發(fā)送字節(jié)保存到FIFO中即可，發(fā)送模塊自動完成發(fā)送操作，使得數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收變得簡單，與51系列單片機相比也是一個很大的改進。
4 性能分析
　 該測頻裝置的主要技術(shù)指標(biāo)為：(1)理論上可測量最低頻率Fmin=0.002 7 Hz(規(guī)定為1 Hz)；(2)最高可測量頻率規(guī)定為Fmax=100 Hz；(3)測量分辨率為0.002 26 Hz；(4)得到頻率值的時間為 0.5T(信號周期)； (5)信號傳輸時間為0.97 ms；(6)信號整形電路最低動作電壓0.2 V，最高允許輸入電壓150 V。
     基于ARM處理器的LPC2131可編程調(diào)速器測頻單元彌補了51系列單片機作為測頻單元與PLC配合使用中的不足，測頻單元編程系統(tǒng)簡單、頻率信號響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)傳輸方便、傳輸時間短，測頻系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強。對此調(diào)速器測頻單元進行了測試，從運行情況，該測頻單元具有很好的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，非常適合于中小型調(diào)速器。
參考文獻
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