高準確性的頻率測量系統

摘要：提出并研制了一種高可靠性、高精度、使用簡(jiǎn)單且便于維護的頻率測量系統，該系統用于電力電子測量領(lǐng)域。其硬件系統以嵌入式PC104計算機為測控平臺，軟件系統以L(fǎng)abWindows/CVI為開(kāi)發(fā)平臺，采用測周期法，依據頻率大小選用不同的基準頻率。經(jīng)實(shí)際測試證實(shí)，該設計滿(mǎn)足精度和實(shí)時(shí)性的要求，檢測效率高，便于操作與維護。該系統亦可用于其他要求高精度頻率測量的領(lǐng)域中。 敘詞：頻率量測量 PC104 測周期法 Abstract：It proposes and developsa frequency measurement system with high reliability and accuracy which is simple to use, easy to maintain in the paper. Its used in the field of power electronics measurement. PC104 Embedded computer is used as the measuring and control platform in the hardware systems, and the software platform is based on the LabWindows/CVI platform. Its based on the cycle measurement method, choosing different reference frequency according to the values of the frequency. The practical test confirmed that the design meets the requirements of precision and real-time, and it is easy to operate and maintain with high efficiency. The system can also be used in other areas where high-precision frequency measurements is reauired. Keyword：Frequency measurement, PC104, Cycle measurement method

1 引言

頻率是電力電子系統中1個(gè)基本的物理量，其測量問(wèn)題在工程應用中非常重要。通常的測量方案是選用單片機或可編程邏輯器件。然而，在某些特殊場(chǎng)合，工作環(huán)境惡劣，要求測量精度高、可靠性強，使用常規的方案難以達到要求，或成本過(guò)高。本文提出了一種基于PC104測控計算機的頻率測量系統，依據初步測試得到的待測頻率大小選用不同的基準頻率，測量精度達到0.2%，且實(shí)現了同時(shí)測量多路信號的頻率。

2 總體設計

交變信號的頻率是指單位時(shí)間內信號周期性變化的次數，即發(fā)fx =N/t，可見(jiàn)測量fx須將N或t作為基準，對另一個(gè)量進(jìn)行測量[1]?；镜臏y量頻率方法有兩種：一種是測頻法，由測量電路給出標準閘門(mén)信號t =Tr，測出待測信號在一定的時(shí)間間隔Tr內重復變化次數N, 得被測信號的頻率為；另一種方法是測周期法，由測量電路提供標準頻率信號fr，以被測信號的周期作為閘門(mén)，測出在一個(gè)被測信號周期內標準信號fr的個(gè)數N，得到被測信號的頻率為。兩種方法均存在計數器的±1量化誤差，測頻法的相對誤差，測周期法的相對誤差。前者fx位于分母，其值越大誤差越小，因此對于高頻信號有較高的精度，而后者fx位于分子，值越小誤差越小，對低頻信號的測量精度較高。本文以測周期法為原理，提出的測頻方案如圖1所示。以PC104測控計算機為硬件平臺，設計調理模塊對信號進(jìn)行調理，通過(guò)PC104總線(xiàn)輸入到操作系統平臺上，由數據處理算法進(jìn)行處理，并在液晶顯示器上顯示。

圖1 測頻方案示意圖

3 硬件設計

本文以PC104測控計算機為硬件平臺，選用的功能模塊有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以實(shí)現多路頻率信號的同時(shí)測量。PC104與標準臺式PC(PC/AT)體系結構完全兼容，并且具有結構緊湊，體積小，功耗低，使用溫度范圍寬(-45℃～85℃)，可靠性高(單個(gè)模塊MTBF>20萬(wàn)h)，抗惡劣環(huán)境，堅固耐用等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了產(chǎn)品的生命周期[2-3]。

圖2 傳統的周期法測頻原理框圖

對多路待測頻率信號進(jìn)行分類(lèi)，將存在先后測試順序的頻率信號共用一組檢測電路進(jìn)行調理，利用多路開(kāi)關(guān)實(shí)現信號之間的切換。在測量過(guò)程中，實(shí)際輸入信號存在不確定性及抖動(dòng)等問(wèn)題，為了提高測量精度，首先對待測信號進(jìn)行預處理，通過(guò)濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，接著(zhù)進(jìn)行線(xiàn)性放大，再經(jīng)過(guò)零比較器整形為矩形波信號，最后通過(guò)雙穩態(tài)電路輸入PC104功能模塊卡。

傳統的測量周期原理框圖如圖2所示。在待測頻率的1個(gè)周期中，高電平時(shí)間計數器閘門(mén)打開(kāi)進(jìn)行計數，低電平時(shí)關(guān)閉，通過(guò)測量出高電平時(shí)間計算出信號周期。但是如果遇到干擾，待測頻率上升沿和下降沿輕微變化時(shí), 計數就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)脈沖的讀數誤差。同時(shí)，對于占空比未知的信號，采用此原理無(wú)法測出準確頻率。

因此，為減小誤差，并且能測量占空比未知的信號，所提出的測頻方案首先將待測信號分頻，使測頻時(shí)間為待測頻率信號周期的整數倍，而與占空比無(wú)關(guān)，如圖3所示。另外對于高頻和低頻信號，采用不同的分頻系數，以提高測量精度。對于1kHz以下的信號進(jìn)行二分頻，1kHz以上的信號進(jìn)行四分頻。

硬件電路原理圖如圖4所示。

圖3改進(jìn)的測頻方法原理框圖

圖4 硬件電路圖

4 軟件設計

選用NI公司的LabWindows/CVI為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它以ANSIC為核心，有機結合了數據采集、分析和顯示等工具，為自動(dòng)檢測系統提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。待測信號較多時(shí)，如果使用單一線(xiàn)程，會(huì )造成測量或激勵沖突，導致系統死機，難以保證實(shí)時(shí)性。為避免這一現象，在頻率量測量程序中，本文使用了多線(xiàn)程技術(shù)——線(xiàn)程池。線(xiàn)程池實(shí)現了多個(gè)任務(wù)分時(shí)占有CPU，可在一個(gè)時(shí)間段內并行完成多個(gè)任務(wù)，適用于需要不連續地執行多次或在循環(huán)中執行的任務(wù)[4]。同時(shí)，軟件使用SQLToolkit工具包，記錄測試數據，并可進(jìn)行離線(xiàn)數據分析。軟件系統示意圖如圖5。為了測量多路信號，使用三種功能模塊同時(shí)測量。

圖5 軟件結構示意圖

4.1 DMM-32-XT模塊測頻

DMM-32-XT的板載頻率有10kHz和10MHz兩種，根據輸入頻率的不同，選用不同的板載頻率來(lái)測量。首先用10kHz進(jìn)行測頻。計數器是減記數的方式，所以在檢測到低電平時(shí)，往計數器0賦初值0；當遇到高電平時(shí)，計數器自動(dòng)開(kāi)始減數。直到再次遇到低電平時(shí)停止。這時(shí)，將計數器中的值鎖存并讀出。先從計數器讀出低位low，再讀出高位high?？汕蟪鲱l率為：

為使測量誤差小于0.5%，由得fx≤50，如果待測頻率分頻后大于50Hz，為了精度更高，將選用10MHz的板載頻率再次測量，過(guò)程相同。程序流程圖如圖6。

4.2 OMM-XT模塊測頻

OMM-XT模塊只有一種大小為4MHz的板載頻率，在測低頻時(shí)，以4MHz作為基準頻率，計數器會(huì )產(chǎn)生溢出。為解決這個(gè)問(wèn)題，將計數器1和計數器2的級連，把計數器1的輸出設置為計數器2的輸入。計數器1對4MHz分頻，產(chǎn)生50kHz的方波，計數器2用此頻率作為基準頻率計數。而在測高頻時(shí)，只用計數器2進(jìn)行測頻即可。

為使測量誤差小于0.5%，由得fx≤250，為了保留一定的裕度，設定fx≥200時(shí)換用測高頻方式，即只用計數器2進(jìn)行測頻。同理，由

得fx≤20kHz，當待測信號頻率大于20kHz時(shí)，精度無(wú)法保證，因此該法只適用于20kHz以下的頻率。

4.3 GPIO-MM-XT模塊測頻

GPIO-MM-XT功能模塊是基于FPGA的PC104計數器和數字I/O模塊，嵌入兩個(gè)CTS9513計數邏輯器件。其板載頻率為40MHz，軟件可配置16分頻、256分頻、4096分頻、65536分頻，得到大小不同的基準頻率。測頻原理類(lèi)似于上述模塊。程序流程圖如圖7。

圖6 DMM-32X-AT模塊測頻流程圖

圖7 GPIO模塊測頻流程圖

5 實(shí)驗結果

使用EE1411型合成函數信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號作為輸入，對每個(gè)信號進(jìn)行10次測量，得到的實(shí)驗數據如表1所示，可見(jiàn)測量誤差在0.2%以下。

6 結論

本文詳細論述了一種高精度頻率測量系統，該系統在設計上充分考慮了現場(chǎng)使用環(huán)境的特點(diǎn)和用戶(hù)需求，并為離線(xiàn)數據分析處理提供方便。硬件上采用PC104總線(xiàn)模塊，保證系統的高可靠性。軟件平臺采用NI公司的LabWindows/CVI，軟件設計面向測試過(guò)程，界面友好，為功能擴展提供了良好基礎。經(jīng)實(shí)際測試表明，該系統用于電力電子測量中，滿(mǎn)足相應的測試要求和測試指標，操作簡(jiǎn)單，可靠性好，檢測效率高，便于攜帶和維護。

參考文獻
[1] 陳曉榮，蔡萍，周洪全.基于單片機的頻率測量的幾種實(shí)用方法[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003,(01) :40
[2] 梁旭，李行善，袁海文.一種基于PC104總線(xiàn)的航空發(fā)動(dòng)機綜合檢查儀的研制[A].全國第二屆總線(xiàn)技術(shù)與測控系統工程學(xué)術(shù)報告會(huì )論文集[C].2001：53-56
[3] 連業(yè)耀，袁海文，劉穎異.基于PC104的某型發(fā)動(dòng)機參數檢查儀的研制[A].金剛.2010年航空試驗測試技術(shù)峰會(huì )暨學(xué)術(shù)交流會(huì )論文集[C].北京:《測控技術(shù)》雜志社,2010:48-51
[4] Logan.w.k．Adding Reliability and Determinism to Your ATE System with LabWindows/CVI Real-Time[A]．IEEE Systems Readiness Technology Conference[C] , America:2006：784-788

作者簡(jiǎn)介
李坤峪（1989-），女，安徽壽縣人，碩士研究生，主要研究方向為自動(dòng)檢測技術(shù)?！?br />