文獻標識碼： B
在水輪機調速器中，機組頻率的測量直接關系到調速器整機性能的優劣，而調速器的品質與性能直接影響到電能的品質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鍵的技術[1]。目前，基于PLC調速器的測頻方法主要有單片機測頻和PLC本體高速計數模塊測頻2種方式[2]。PLC高速計數模塊的測頻與單片機測頻相比，具有整體性好、可靠性高的優點，但對PLC硬件配置有較高要求，如須具備1 MHz以上計數模塊，這將顯著增加調速器的硬件成本，中小型調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大量的開關量輸入點[3]，另一方面并行數據傳輸存在同步問題，使得數據傳輸可靠性較差。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，開發出高性能的頻率測量單元，很好地解決了PLC調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可編程調速器頻率測量總體框圖如圖1所示。
取自發電機端電壓互感器和電網電壓互感器的測頻輸入信號，經削波、濾波處理后，變成幅度基本不變的穩定波形，再經施密特電路放大整形，得到正負幅值基本相等、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跳變都會將當時計數器值輸入相應的捕獲寄存器中，同時產生中斷。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，在計數器頻率(時鐘頻率，令其為Fpclk)已知情況下，可得出2個相間隔捕獲點對應時間值，即頻率信號周期值：
根據頻率與周期公式f=1/T可求出信號的頻率值。對得到的機組頻率和電網頻率計數器差值采用去極大極小值進行簡單的判斷濾波后，采用自由口通信協議通過串口UART0將其發送至PLC,在PLC控制器內完成機組和電網頻率值計算。
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工業標準的異步串行口UART0和UART1,具有以下特性：16字節收發FIFO；寄存器位置符合16C550工業標準；收發器觸發點可為1、4、8和14字節；內置波特率發生器；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。定時器對外設時鐘(pclk)周期進行計數，可選擇產生中斷或根據4個匹配寄存器的設定，在達到指定的定時值設定時執行其他動作。它的4個捕獲輸入，用于在輸入信號發生跳變時捕獲定時器的瞬時值，并可選擇使捕獲事件產生中斷[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用來使能或者復位計數器操作；預分頻寄存器PR用來分頻時鐘計數頻率；VPB時鐘頻率Fpclk為計數提供時鐘頻率；預分頻計數器PC是當TCR使能后，在每個pclk周期加1，當其達到預分頻寄存器PR中保存的值時，定時器計數器TC值加1，預分頻計數器在下一個周期復位；當預分頻計數器達到上限時，定時器計數器TC值加1，當達到計數上限0xFFFFFFFF后將翻轉到0x00000000；捕獲寄存器與1個對應的器件引腳相關聯，當引腳發生特定事件時，可將定時器計數的值裝入該寄存器；捕獲控制寄存器CCR用于當捕獲事件發生時，確定是否裝入4個捕獲寄存器中的1個，以及是否產生中斷。
本文選用定時器1作為兩路脈沖輸入捕獲計數器，利用它的兩路脈沖捕獲功能CAP1.2和CAP1.3捕獲經整形后機組頻率和電網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的計數器值裝載到T1CR2寄存器中,將連續3次捕獲時計數器值依次保存到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器差值TJ=CAPJ 0-CAPJ 2。本文設定計數時鐘不分頻，根據測周法原理，機組頻率值Fg為：
式中, Fpclk為VPB時鐘頻率,在不分頻情況下為11.059 2 MHz。設機組頻率為Fg=50 Hz，則周期Tg=0.02 s，測得的周期數Ng=0.02×11 059 200=221 184，測頻系統的理論分辨率為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3個機組頻率信號捕獲對應的寄存器值T1CR2，CAPX0、CAPX1和CAPX2依次保存連續3個電網頻率信號捕獲時對應寄存器值T1CR3，TJ和TX分別表示機組頻率和電網頻率在1個周期內計數器計數差值。
在系統軟件中，主程序完成各種設定功能初始化。捕獲中斷子程序完成對整形后的機組頻率和電網頻率信號捕獲，計算出信號在1個周期內對應的計數器計數值，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，提高了調速器頻率響應性，縮短了調速器不運轉的時間。
在數據發送程序中，將1個周期內計數器差值通過UART0口采用串口通信方式發送到PLC控制器中，在PLC中完成信號頻率值計算。此處采用發送頻率信號計數器差值而不是計算后頻率值或周期值，一方面是整數比小數傳送方便，通信更加簡單；另一方面是頻率值或周期值具有多位小數，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速器控制PID計算，將使調速器控制過程更加精確。在數據發送程序中，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確性在頻率測量過程中也是一個重要環節。本文采用的是去極大極小值濾波法，即對連續三個頻率值，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，電網頻率與此相同。
3 與PLC通信
與PLC傳遞數據通信中，使用定時器0進行20 ms定時發送，PLC通過接收模塊接收數據。如圖2所示，匹配控制寄存器MCR用于設定當發生匹配控制寄存器值與定時器計數值匹配時所執行的操作(產生中斷、復位定時器計數器或停止定時器)；匹配控制寄存器值連續與定時器計數值相比較，當兩值相等時自動觸發相應動作；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，簡化了通信的復雜度，提高了準確率。
在頻率測量中，儲存器可存儲最大計數器值為0xFFFFFFFF,在理論上可測得的頻率最小值為0.002 7 Hz，根據實際情況設定頻率的測量范圍為1~100 Hz，對應的周期計數值范圍為0xABC000～0x1B000,如果周期計數值大于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接收模塊為字節接收，故每次最多傳送1個字節，對周期計數值完成一次傳送需要用3個字節分開發送；為了保證傳送準確性，需要在每1次傳送的信息上增加起始字符和結束字符進行信息接收啟動和信息接收結束判斷，起始字符和結束字符為規定的某個唯一的標志字符，此處選用0x53和0x4F。為避免傳送周期計數值某個字節與開始或結束判斷字符相同導致傳送錯誤，每次傳送的數據只能占用4位即1個字節的后4位，這樣才能保證其值始終不大于0x0F。根據上面分析，則每傳送1個周期計數值就需要分6次按6個字節傳送，機組周期計數值、電網周期計數值和開始、結束字符完成1次傳送總共需要14個字節。傳送波特率設定為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。由此可知數據傳輸延遲時間極短，完全可以彌補外設測量模塊與內部測量模塊對數據采集及時性的差異，達到測量的數據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），在發送過程中,只需將所要發送字節保存到FIFO中即可，發送模塊自動完成發送操作，使得數據的發送和接收變得簡單，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指標為：(1)理論上可測量最低頻率Fmin=0.002 7 Hz(規定為1 Hz)；(2)最高可測量頻率規定為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，測頻單元編程系統簡單、頻率信號響應速度快、數據傳輸方便、傳輸時間短，測頻系統可靠性高、抗干擾能力強。對此調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定性與準確性，非常適合于中小型調速器。
參考文獻
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[6] 施光林，劉利．可編程控制器通信與網絡[M]．北京：機械工業出版社，2006．