CN102116796B - 基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其工作方法：对eTPU模块的功能进行初始化；设置模块的通道1为GPIO功能的输入捕捉方式；设置模块的通道2为PWM输出方式，开始采样工作；采集需要进行频率测量的交流电压信号，并进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给eTPU模块的通道1；AD转换模块中芯片完成采样转换；eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，计算出信号的频率值；对eTPU通道2的PWM的周期值调整；用中间值作为当前的实际测量频率；频率测量功能的监视。本发明是一种实时性好，精度高，资源消耗小，便于在嵌入式系统中实现的系统，其工作方法简单易操作。
Description
(一)技术领域：
本发明属于电气化铁路牵引自动化及电力系统变电站自动化领域，尤其是一种基于eTPU(增强型时序处理单元——enchanced Time ProcessorUnit)的交流信号自动同步采样和频率测量方法。
(二)背景技术：
在电气化铁路牵引自动化系统及电力系统变电站综合自动化系统，为了实现对相关电力设备正常的控制和监测，需要对各种交流电压、电流信号进行准确测量，并且当上述信号的频率发生变化时，能够实时调整采样频率，来实现对上述信号的自动同步采样。
对于交流信号自动同步采样和频率测量，一般方式为：首先将交流信号转换为方波信号，利用微控制器的定时器对该信号进行周期测量，并计算出频率，然后根据测量到的频率值，通过软件方式来控制AD采样芯片的频率，实现自动同步采样。上述方法，交流信号的频率测量及同步采样的精度受微控制器的定时器精度限值，并需要较严格的软硬件配合工作实现，因此测量精度和实时性不高。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，利用MCF523x中eTPU的GPIO和PWM功能，实现对交流信号的自动同步采样和频率测量，是一种实时性好，精度高，资源消耗小，便于在嵌入式系统中实现的系统，其工作方法简单易操作。
本发明的技术方案：一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和AD转换模块的输入端连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。
上述所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的AD7656-1芯片组成；每个芯片的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，其输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈双向连接。
上述所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的freescal公司MCF523x系列芯片；所说的eTPU功能模块包括通道1和通道2，其中，所说的通道2与AD转换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片呈双向连接。
上述所说的MCF523x系列芯片可以是MCF5234芯片，其工作总线频率为75MHz，eTPU模块的定时器工作基准频率为9.375MHz，即对微控制器总线频率进行8分频，此时交流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内实现32次采样，采样频率为1.6kHz。
一种上述基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①对eTPU模块的功能进行初始化：首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括：将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；
②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断；此时如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值，并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；
③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫秒，占空比固定为20％，启动eTPU模块功能，开始采样工作；
④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的通道1；
⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模块中两片并行工作芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换模块的启动采样转换输入端，AD芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换；
⑥当AD转换模块中芯片完成采样转换后，给微控制器单元产生中断信号，微控制器在中断处理函数中完成采样数据的读取操作；
⑦eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间，计算出信号的频率值；
⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中芯片的启动采样转换的时间要求，设定占空比固定为20％，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能模块操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；
⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当前的实际测量频率；
⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器会通过产品自带的软件方式创建并启动一个采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道一连续1秒钟没有捕捉输入方波信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流信号的采样。
上述所说的步骤中⑧所提及到的有效频率值是指在交流电压、电流信号的频率正常为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz～56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率测量无效。
本发明的工作原理：本发明中微控制器采用具备eTPU功能模块的freescal公司MCF523x系列产品。外部电压、电流交流信号首先经过低通滤波处理，其中一路电压信号送到交流正弦波/方波转换模块以转换为方波信号，该方波信号送给微控制器的eTPU模块的通道1，eTPU通道1捕捉到输入方波信号上升沿或下降沿的跳变时，会产生中断，在中断处理函数中完成对方波信号的周期时间测量，然后转换为频率值。并根据当前测量到的频率值，实时调整eTPU通道2的PWM输出周期，当交流电压、电流信号的频率正常为50Hz，有效测量范围为44Hz～56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为本次频率测量无效，不再调整PWM输出周期，直到测量到的频率值位于上述有效范围内，才重新调整PWM周期，进而控制AD的采样频率，最终控制AD芯片的采样频率，为了实现AD采集，需要提供+12V、-12V电压基准给AD7656-1。交流正弦波/方波转换采用过零比较器原理实现。
经过低通滤波的所有交流电压、电流信号送给AD转换模块完成AD采集，电压基准模块为AD转换模块提供采样基准电压。采集完成后AD转换模块触发中断信号，通知微控制器读取转换完的数据。根据测量到的频率值，通过eTPU模块的PWM通道控制AD转换模块的转换频率，以实现交流信号的自动跟踪采样。
根据Freescal公司提供eTPU的通道1和通道2分别作为GPIO、PWM模块软件控制接口，完成eTPU模块的GPIO输入捕捉、PWM输出功能配置和交流信号自动同步采样控制，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断，实现交流信号的频率测量，。当产生GPIO捕获中断时，进入GPIO中断处理函数，在中断处理函数中实现频率测量和采样控制操作。且为保证交流信号的频率值测量的准确性和可靠性，每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当前的实际测量频率。
在频率测量输入信号丢失的情况下，为保证对交流电压、电流信号的正常采样，在采样监视任务中增加对频率测量功能的监视，当连续1秒钟eTPU通道1没有捕捉到输入方波信号上升沿或下降沿跳变时，默认为当前交流信号的频率值为50Hz，并以此值为基础调整eTPU通道2的PWM信号的输出周期，按照50Hz频率对交流电压、电流信号进行采样。
本发明的优越性在于：①充分利用了MCF523x微控制器的eTPU模块的灵活功能，减少了对MCF523x微控制器其它硬件资源的消耗；②由eTPU模块自动完成频率信号的捕捉和PWM信号的输出功能，不需要MCF523x的干预，从而降低了MCF523x对上述功能的负面影响，保证了可靠性，并降低了MCF523x微控制器的负荷；③除了频率测量异常监视外，其它软件功能全部在中断中完成，不会被应用软件打断，并且具有很高的优先等级，从而保证了交流信号频率测量和自动同步采样功能可靠性、实时性和稳定性；④eTPU模块的GPIO和PWM功能实现全部采用微码实现，可以保证交流信号频率值的测量精度和PWM输出信号的精确性，保证了交流信号频率测量和自动同步采样的精确性；⑤eTPU模块可以保证，只有当前PWM信号完全输出后才按照新的设定参数开始输出，保证了交流信号自动同步采样的连续性和完整性；⑥本发明针对交流信号频率超限、频率测量信号丢失等异常情况，采取了必要的处理措施，可以保证在上述异常情况下能够继续基本的采样和处理功能。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法的硬件结构示意图。
图2为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法的具体实现硬件示意图。
图3为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法的eTPU模块软件初始化流程示意图。
图4为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法的eTPU模块频率测量及同步采样中断处理流程示意图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置(见图1)，其特征在于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和AD转换模块的输入端连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。
上述所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的AD7656-1芯片组成完成12路交流电压、电流信号的采集，每个芯片(见图2)为6路同步采样16位SAR(逐次逼近)型ADC，它与微控制器的数据线宽度为16位，其的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，其输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈双向连接。
上述所说的微控制器单元(见图2)采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的freescal公司Coldfire系列的MCF5234芯片；所说的eTPU功能模块共有16个独立通道，其中，所说的通道2与AD转换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片呈双向连接。
上述所说的MCF523x系列芯片可以是MCF5234芯片(见图2)，其工作总线频率为75MHz，eTPU模块的定时器工作基准频率为9.375MHz，即对微控制器总线频率进行8分频，此时交流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内实现32次采样，采样频率为1.6kHz。
一种上述基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法(见图3、图4)，其特征在于它包括以下步骤：
①对eTPU模块的功能进行初始化：首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括：将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；
②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断；此时如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值，并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；
③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫秒，占空比固定为20％，启动eTPU模块功能，开始采样工作；
④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的通道1；
⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模块中两片并行工作的AD7656-1芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换模块的启动采样转换输入端，AD7656-1芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换，转换时间为3微秒；
⑥当AD转换模块中芯片转换完成后向MCF5234微控制器触发中断，MCF5234芯片则在检测到中断信号后，在中断处理函数读取AD7656-1中转换完成的采样数据；
⑦eTPU模块的通道1对方波信号的捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间，计算出信号的频率值；
⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中芯片的启动采样转换的时间要求，设定占空比固定为20％，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能模块操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；
⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当前的实际测量频率；此时，若eTPU模块的基本定时器工作频率值9.375MHz，则可计算捕获到的脉冲信号的周期和频率，周期值计算公式为：
t＝x/9.375*106
t：脉冲信号周期值，单位为秒。
x：通过eTPU通道一获取的脉冲有效计数值。
⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器会通过产品自带的软件方式创建并启动一个采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道一连续1秒钟没有捕捉输入方波信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流信号的采样。
上述所说的步骤⑧中所提及到的有效频率值是指在交流电压、电流信号的频率正常为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz～56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率测量无效。
采用本实例设计的产品，经过测试，交流信号频率值测量精度误差＜0.01Hz，电压、电流信号的同步采样精度误差＜0.1％。
Claims (6)
1.一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端分别与交流正弦波/方波转化模块的输出端和AD转换模块的输出端连接，微控制器单元的输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量；所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的芯片。
2.根据权利要求1所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的AD7656-1芯片组成；每片所述AD7656-1芯片的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，每片所述AD7656-1芯片的输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈双向连接。
3.根据权利要求1所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的freescal公司MCF523x系列芯片；所说的eTPU功能模块包括通道1和通道2，其中，所说的通道2分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片呈双向连接。
4.根据权利要求3所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于所说的MCF523x系列芯片是MCF5234芯片，其工作总线频率为75MHz，eTPU模块的定时器工作基准频率为9.375MHz，即对MCF5234芯片总线频率进行8分频，此时交流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内实现32次采样，采样频率为1.6kHz。
5.一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①对微控制器单元中的eTPU模块的功能进行初始化：首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括：将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；
②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断；此时如果不是上升沿则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值，并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；
③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫秒，占空比固定为20％，启动eTPU模块功能，开始采样工作；
④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的通道1；
⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模块中两片并行工作AD芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2分别连接到AD转换模块中两片并行工作AD芯片的启动采样转换输入端，AD转换模块中两片并行工作AD芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换；
⑥当AD转换模块中两片并行工作AD芯片完成采样转换后，给微控制器单元产生中断信号，微控制器单元在中断处理函数中完成采样数据的读取操作；
⑦eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间，计算出信号的频率值；
⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中两片并行工作AD芯片的启动采样转换的时间要求，设定占空比固定为20％，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能模块操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；
⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当前的实际测量频率；
⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器单元会通过产品自带的软件方式创建并启动一个采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道1连续1秒钟没有捕捉输入方波信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流电压信号、电流信号的采样。
6.根据权利要求5所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在于所说的步骤中⑧中的有效频率值是指在交流电压信号、电流信号的频率正常为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz～56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率测量无效。
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| JP特开平6-294829A 1994.10.21 |
| 吴培根，等.基于DSP内置ADC的频率测量系统设计.《计算机测量与控制》.2010,第18卷(第2期),全文. * |
| 宗海焕,等.一种基于A/D73360的频率测量方法.《传感器世界》.2010,(第2期),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102116796A (zh) | 2011-07-06 |
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