基于armcoxxx-m4的頻率測(cè)量卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于armcoxxx-m4的頻率測(cè)量卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用測(cè)量信號(hào)的頻率、周期和脈寬是工業(yè)、國(guó)防和能源應(yīng)用的中心重點(diǎn)。目前,頻率測(cè)量設(shè)計(jì)主要采用基于硬件FPGA的測(cè)量方法1頻率信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用ST公司的STM32F103單片機(jī)作為主控芯片。STM32F103單片機(jī)帶有4個(gè)同步標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器,這些定時(shí)器基于一個(gè)16位自動(dòng)重載的計(jì)數(shù)器與一個(gè)16位的比較器;具有向上計(jì)數(shù)、向下計(jì)數(shù)、中心對(duì)齊計(jì)數(shù)、捕獲與比較、輸入捕獲、PWM輸入、強(qiáng)制輸出、輸出比較等模式功能,配置靈活測(cè)量卡采用2塊STM32與一塊STC51單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案。STM32MCU用來(lái)測(cè)量頻率信號(hào),單個(gè)STM32MCU可測(cè)量4路頻率信號(hào),2塊STM32可測(cè)量8路頻率信號(hào)輸入;STC51有2個(gè)UART口,其中一個(gè)UART與STM32通信,另一個(gè)UART口與控制系統(tǒng)通信。測(cè)量卡有A測(cè)量卡測(cè)量模式通過(guò)控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)置,測(cè)量卡根據(jù)設(shè)置的測(cè)量模式計(jì)算對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。①在測(cè)量頻率模式下,A通道信號(hào)為頻率信號(hào),B通道信號(hào)為復(fù)位信號(hào)。常態(tài)下,B通道為高;如果為低,則表示復(fù)位,測(cè)量頻率信號(hào)清零。②在周期模式下,通道的設(shè)計(jì)與頻率模式一致。③在上升沿計(jì)數(shù)模式下,A通道是信號(hào)輸入引腳,B通道是復(fù)位信號(hào)引腳。B通道常態(tài)下為高;如果為低,表示復(fù)位信號(hào),計(jì)數(shù)清零。④在脈寬測(cè)量模式下,測(cè)量A通道與B通道上升沿的時(shí)間。⑤在定時(shí)器模式下,A通道上升沿時(shí)開始計(jì)時(shí),B通道下降沿計(jì)時(shí)停止。⑥在單一計(jì)數(shù)模式下,A通道是信號(hào)輸入通道,B通道是復(fù)位信號(hào)引腳。B通道常態(tài)下為高;如果為低,表示是復(fù)位信號(hào),計(jì)數(shù)清零。⑦在上升下降計(jì)數(shù)模式下,A、B同時(shí)接收通道信號(hào),A通道捕獲上升沿,計(jì)數(shù)器增加1,B通道捕獲上升沿,計(jì)數(shù)器減少1。22.1信號(hào)時(shí)效配置頻率信號(hào)測(cè)量的方法主要有周期測(cè)量法、頻率測(cè)量法和等精度頻率測(cè)量法3種。周期測(cè)量法測(cè)量低頻信號(hào)效果較好,頻率測(cè)量法則適用于高頻信號(hào)測(cè)量,等精度頻率測(cè)量法實(shí)現(xiàn)了頻率測(cè)量。精度與輸入信號(hào)頻率信號(hào)大小無(wú)關(guān),所以目前頻率測(cè)量大部分采用此方法Cortex-M3的定時(shí)器長(zhǎng)度是16位,當(dāng)定時(shí)器的時(shí)鐘源選擇12MHz時(shí),在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)基準(zhǔn)定時(shí)器計(jì)數(shù)器容易溢出,所以計(jì)算頻率信號(hào)時(shí)必須考慮溢出次數(shù)。為了計(jì)算溢出次數(shù),必須使能溢出中斷,同時(shí)為了保證精度,必須捕獲在計(jì)算周期內(nèi)最后一個(gè)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)。這就需要使能捕獲中斷,且捕獲中斷優(yōu)先級(jí)高于溢出中斷;如果兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生,會(huì)發(fā)生溢出中斷無(wú)法響應(yīng)的情況,少計(jì)算溢出中斷次數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的頻率值偏差很大。將STM32單片機(jī)單個(gè)定時(shí)器2路級(jí)聯(lián),可配置成1路32位定時(shí)器;將該32位定時(shí)器作為測(cè)量信號(hào)的基準(zhǔn)定時(shí)器,使能捕獲中斷,計(jì)算某段時(shí)間內(nèi)基準(zhǔn)頻率信號(hào)的捕獲次數(shù)就能得到信號(hào)頻率,這就實(shí)現(xiàn)了計(jì)算頻率與輸入信號(hào)頻率無(wú)關(guān)的等精度測(cè)量方法等精度測(cè)量方法將2路16位定時(shí)器級(jí)聯(lián)成1路32位定時(shí)器,定時(shí)器資源消耗較大。為了降低測(cè)量卡成本,需4路定時(shí)器實(shí)現(xiàn)4路頻率測(cè)量,通過(guò)配置定時(shí)器的基準(zhǔn)頻率可實(shí)現(xiàn)1路16位定時(shí)器采樣1～32kHz范圍內(nèi)的頻率。測(cè)量卡預(yù)配置定時(shí)器的基準(zhǔn)頻率,判斷測(cè)量信號(hào)的頻率處在某個(gè)區(qū)間,按照信號(hào)區(qū)間配置計(jì)算時(shí)需要的基準(zhǔn)頻率,最后根據(jù)計(jì)算周期內(nèi)基準(zhǔn)頻率的脈沖數(shù)得到信號(hào)頻率。單片機(jī)在72MHz運(yùn)行,基本定時(shí)器配置為捕獲模式。根據(jù)精度要求,把測(cè)量范圍分為0～25Hz、25～200Hz和200Hz～32kHz。頻率區(qū)間的判斷方法具體如下:配置基準(zhǔn)初始定時(shí)器工作模式為捕獲模式,并設(shè)定上升沿捕獲,基本定時(shí)器初始頻率配置為12MHz,配置系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器時(shí)間1ms;基本定時(shí)器捕獲到輸入信號(hào)的上升沿時(shí),統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器40ms內(nèi)信號(hào)個(gè)數(shù),據(jù)此判斷輸入信號(hào)的頻率范圍。2個(gè)上升沿之間時(shí)間間隔計(jì)為超低頻的計(jì)算公式為:=1000/式中:較高頻率的計(jì)算公式為:=(72/最高頻率采取25次采樣的計(jì)算公式為:=(72/式中:測(cè)量周期的原理與測(cè)量頻率的原理相同,此處不再重復(fù)描述。2.2出入通道,溢出中斷單一計(jì)數(shù)模式下配置A為定時(shí)器外部時(shí)鐘源輸入通道,溢出中斷打開,在中斷中計(jì)數(shù),由此實(shí)現(xiàn)32位計(jì)數(shù)器功能,計(jì)數(shù)值最多可達(dá)0xFFFFFFFF。瞬時(shí)計(jì)數(shù)值=式中:2.3脈沖信號(hào)占空比例及采用金屬酶系統(tǒng)最佳時(shí)間差配置脈沖寬度測(cè)量模式測(cè)量A通道脈沖信號(hào)的寬度,即計(jì)算輸入信號(hào)上升沿與下降沿之間的時(shí)間差,本文只研究脈沖信號(hào)占空比為1∶1的情況。配置定時(shí)器為上升沿捕獲模式,并打開定時(shí)器溢出中斷;捕獲到上升沿后將捕獲模式改為下降沿捕獲模式,并讀取定時(shí)器值作為=(式中:2.4用戶初始配置定時(shí)器模式是測(cè)量A和B兩個(gè)通道上輸入脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間差。初始配置A通道和B通道為單片機(jī)外部中斷輸入口,同時(shí)使能對(duì)應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷。A通道上升沿觸發(fā)中斷處理時(shí)讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值作為2.5采用信號(hào)時(shí)鐘源添加通道上升下降計(jì)數(shù)模式用于記錄A通道輸入脈沖信號(hào)和B通道輸入脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)的差值。初始配置A、B為定時(shí)器的外部時(shí)鐘源輸入通道,A通道捕獲到輸入信號(hào)的上升沿,定時(shí)器的計(jì)數(shù)器增加1;B通道捕獲到輸入信號(hào)的上升沿,定時(shí)器的計(jì)數(shù)器則減少1。33.1stm32芯片的中斷處理主程序流程圖如圖1所示。系統(tǒng)軟件包括對(duì)工作電路的初始化、配置系統(tǒng)參數(shù)、根據(jù)用戶設(shè)定選擇測(cè)量模式、初始化各定時(shí)器、在主循環(huán)中接收分散處理單元(distributedprocessingunit,DPU)通信命令選擇測(cè)量模式、根據(jù)測(cè)量模式配置相應(yīng)定時(shí)器的模式、計(jì)算新的測(cè)量值并回送給DPU。軟件設(shè)計(jì)需要注意各種中斷的處理。由于STM32芯片的中斷優(yōu)先級(jí)可配置成可搶占模式,所以根據(jù)每個(gè)模式的要求配置不同的優(yōu)先級(jí):在頻率測(cè)量中,溢出中斷的優(yōu)先級(jí)高于捕獲中斷,而在別的測(cè)量模式下,外部中斷優(yōu)先級(jí)高于溢出中斷。同時(shí),還需要考慮中斷處理的時(shí)間,特別是在測(cè)量脈沖寬度時(shí),由于采用了溢出中斷次數(shù)來(lái)計(jì)算時(shí)間,測(cè)量脈寬時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),溢出次數(shù)較多,溢出中斷累積的時(shí)間較長(zhǎng),必須把溢出中斷處理的時(shí)間在軟件中補(bǔ)償,以保證精度。3.2rs-843通道板卡與控制系統(tǒng)通信硬件電路由1個(gè)主控單元板和2塊通道板共3個(gè)獨(dú)立的板塊組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂茊卧逵?塊負(fù)責(zé)與控制系統(tǒng)通信的STC51單片機(jī)和2塊負(fù)責(zé)頻率測(cè)量的STM32組成。其中,STC51通過(guò)一個(gè)UART口與另2塊CPU的UART口連接,另一個(gè)UART口連接RS-485通信口,實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信。2塊通道板負(fù)責(zé)各個(gè)輸入信號(hào)的調(diào)理。測(cè)量卡與控制系統(tǒng)通信采用了高穩(wěn)定性的51系列單片機(jī),通過(guò)RS-485差分信號(hào)接口與上位機(jī)通信,具有更長(zhǎng)的傳輸距離和差分信號(hào)固有的抗干擾能力。在信號(hào)輸入處理方面,采取了內(nèi)外2種供電方式冗余切換,以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。端口由限流電阻、二極管橋陣列(MMBD7000)組成防反接插口,便于用戶簡(jiǎn)單操作。每一路信號(hào)均通過(guò)高速光電耦合器實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)端與測(cè)量卡之間的電氣隔離,從而提高測(cè)量卡在惡劣環(huán)境下工作的抗干擾性。同時(shí),由MMBT4401所構(gòu)成的限電流電路,將能夠燒毀光電耦合器的多余電流,通過(guò)三極管的線性工作區(qū)轉(zhuǎn)從集電極與射極間流出,起到了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用出現(xiàn)異常高電壓情況下保護(hù)通道的作用,從而確保了通道器件的安全,延長(zhǎng)了板卡工作壽命。信號(hào)輸入原理圖如圖3所示。4試驗(yàn)結(jié)果分析將本文設(shè)計(jì)的多通道頻率測(cè)量模塊應(yīng)用到DCS控制系統(tǒng)中,根據(jù)DCS系統(tǒng)要求對(duì)8路輸入信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),其中4個(gè)通道在各測(cè)量模式下的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在頻率測(cè)量模式、脈寬測(cè)量模式、定時(shí)器測(cè)量模式、脈沖周期測(cè)量模式下,測(cè)量信號(hào)頻率范圍為1Hz～32kHz,全量程范圍內(nèi)測(cè)量精度誤差