一种高可靠性的频率测量系统 - 全文

　　提出并研制了一种高可靠性、高精度、使用简单且便于维护的频率测量系统，该系统用于电力电子测量领域。其硬件系统以嵌入式PC104计算机为测控平台，软件系统以LabWindows/CVI为开发平台，采用测周期法，依据频率大小选用不同的基准频率。经实际测试证实，该设计满足精度和实时性的要求，检测效率高，便于操作与维护。该系统亦可用于其他要求高精度频率测量的领域中。

　　1 引言

　　频率是电力电子系统中1个基本的物理量，其测量问题在工程应用中非常重要。通常的测量方案是选用单片机或可编程逻辑器件。然而，在某些特殊场合，工作环境恶劣，要求测量精度高、可靠性强，使用常规的方案难以达到要求，或成本过高。本文提出了一种基于PC104测控计算机的频率测量系统，依据初步测试得到的待测频率大小选用不同的基准频率，测量精度达到0.2%，且实现了同时测量多路信号的频率。

　　2 总体设计

　　交变信号的频率是指单位时间内信号周期性变化的次数，即发fx =N/t，可见测量fx须将N或t作为基准，对另一个量进行测量［1］。基本的测量频率方法有两种：一种是测频法，由测量电路给出标准闸门信号t =Tr，测出待测信号在一定的时间间隔Tr内重复变化次数N， 得被测信号的频率为；另一种方法是测周期法，由测量电路提供标准频率信号fr，以被测信号的周期作为闸门，测出在一个被测信号周期内标准信号fr的个数N，得到被测信号的频率为。两种方法均存在计数器的±1量化误差，测频法的相对误差，测周期法的相对误差。前者fx位于分母，其值越大误差越小，因此对于高频信号有较高的精度，而后者fx位于分子，值越小误差越小，对低频信号的测量精度较高。本文以测周期法为原理，提出的测频方案如图1所示。以PC104测控计算机为硬件平台，设计调理模块对信号进行调理，通过PC104总线输入到操作系统平台上，由数据处理算法进行处理，并在液晶显示器上显示。

 

图1 测频方案示意图

 

　　3 硬件设计

　　本文以PC104测控计算机为硬件平台，选用的功能模块有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以实现多路频率信号的同时测量。PC104与标准台式PC（PC/AT）体系结构完全兼容，并且具有结构紧凑，体积小，功耗低，使用温度范围宽（-45℃～85℃），可靠性高（单个模块MTBF》20万h），抗恶劣环境，坚固耐用等优点，从而保证了产品的生命周期［2-3］。

　　对多路待测频率信号进行分类，将存在先后测试顺序的频率信号共用一组检测电路进行调理，利用多路开关实现信号之间的切换。在测量过程中，实际输入信号存在不确定性及抖动等问题，为了提高测量精度，首先对待测信号进行预处理，通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，接着进行线性放大，再经过零比较器整形为矩形波信号，最后通过双稳态电路输入PC104功能模块卡。

　　传统的测量周期原理框图如图2所示。在待测频率的1个周期中，高电平时间计数器闸门打开进行计数，低电平时关闭，通过测量出高电平时间计算出信号周期。但是如果遇到干扰，待测频率上升沿和下降沿轻微变化时， 计数就会产生一个脉冲的读数误差。同时，对于占空比未知的信号，采用此原理无法测出准确频率。

　　因此，为减小误差，并且能测量占空比未知的信号，所提出的测频方案首先将待测信号分频，使测频时间为待测频率信号周期的整数倍，而与占空比无关，如图3所示。另外对于高频和低频信号，采用不同的分频系数，以提高测量精度。对于1kHz以下的信号进行二分频，1kHz以上的信号进行四分频。

图3改进的测频方法原理框图
 

图4：硬件电路图

　　硬件电路原理图如图4所示。

　　4 软件设计

　　选用NI公司的LabWindows/CVI为软件开发环境，它以ANSIC为核心，有机结合了数据采集、分析和显示等工具，为自动检测系统提供了一个理想的软件开发环境。待测信号较多时，如果使用单一线程，会造成测量或激励冲突，导致系统死机，难以保证实时性。为避免这一现象，在频率量测量程序中，本文使用了多线程技术——线程池。线程池实现了多个任务分时占有CPU，可在一个时间段内并行完成多个任务，适用于需要不连续地执行多次或在循环中执行的任务［4］。同时，软件使用SQLToolkit工具包，记录测试数据，并可进行离线数据分析。软件系统示意图如图5。为了测量多路信号，使用三种功能模块同时测量。

图5：软件结构示意图

　　4.1 DMM-32-XT模块测频

　　DMM-32-XT的板载频率有10kHz和10MHz两种，根据输入频率的不同，选用不同的板载频率来测量。首先用10kHz进行测频。计数器是减记数的方式，所以在检测到低电平时，往计数器0赋初值0；当遇到高电平时，计数器自动开始减数。直到再次遇到低电平时停止。这时，将计数器中的值锁存并读出。先从计数器读出低位low，再读出高位high。可求出频率为：

　　为使测量误差小于0.5%，由得fx≤50，如果待测频率分频后大于50Hz，为了精度更高，将选用10MHz的板载频率再次测量，过程相同。程序流程图如图6。

　　4.2 OMM-XT模块测频

　　OMM-XT模块只有一种大小为4MHz的板载频率，在测低频时，以4MHz作为基准频率，计数器会产生溢出。为解决这个问题，将计数器1和计数器2的级连，把计数器1的输出设置为计数器2的输入。计数器1对4MHz分频，产生50kHz的方波，计数器2用此频率作为基准频率计数。而在测高频时，只用计数器2进行测频即可。

　　为使测量误差小于0.5%，由得fx≤250，为了保留一定的裕度，设定fx≥200时换用测高频方式，即只用计数器2进行测频。同理，由

　　得fx≤20kHz，当待测信号频率大于20kHz时，精度无法保证，因此该法只适用于20kHz以下的频率。

　　4.3 GPIO-MM-XT模块测频

　　GPIO-MM-XT功能模块是基于FPGA的PC104计数器和数字I/O模块，嵌入两个CTS9513计数逻辑器件。其板载频率为40MHz，软件可配置16分频、256分频、4096分频、65536分频，得到大小不同的基准频率。测频原理类似于上述模块。程序流程图如图7。

图6  DMM-32X-AT模块测频流程图
 

 

 

图7 GPIO模块测频流程图

 

　　5 实验结果

　　使用EE1411型合成函数信号发生器产生的频率信号作为输入，对每个信号进行10次测量，得到的实验数据如表1所示，可见测量误差在0.2%以下。

　　6 结论

　　本文详细论述了一种高精度频率测量系统，该系统在设计上充分考虑了现场使用环境的特点和用户需求，并为离线数据分析处理提供方便。硬件上采用PC104总线模块，保证系统的高可靠性。软件平台采用NI公司的LabWindows/CVI，软件设计面向测试过程，界面友好，为功能扩展提供了良好基础。经实际测试表明，该系统用于电力电子测量中，满足相应的测试要求和测试指标，操作简单，可靠性好，检测效率高，便于携带和维护。