CN201897522U - 一种低频方波周期检测系统 - Google Patents

Abstract

一种低频方波周期检测系统，包括接近开关、光电隔离、信号整形、FPGA信号采集单元、ARM数据处理单元以及FAGA与ARM并行总线通讯等几部分。接近开关信号经过光电隔离和信号整形后进入FPGA，FPGA通过一系列的处理后，将采样到的周期值保存到RAM区，并发送读取信号给ARM处理器，ARM处理器得到读取信号后，根据FPGA的状态位，到指定地址通过总线方式读取周期值，ARM处理器经过一系列的计算处理后，通过串口发送到PC机。该方法适用于对低频方波信号的高精度检测，具有检测精度高、系统设计灵活性强等特点。

Description

一种低频方波周期检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种低频方波周期检测系统，用于低频方波信号的高精度周期检测。

背景技术

质量综合测试台是用来测试卫星、箭弹等的质量、质心及转动惯量特性的测试设备，利用专用工装将被测件与测试台连接，通过改变被测件状态，分步测出卫星的质量、质心、转动惯量参数。质量特性综合测试台对转动惯量和惯性积测量，需要对被测件扭摆低频周期进行精确测量，扭摆低频周期的测量精度决定了转动惯量的测量精度。传统的低频频率测量主要采用分立元件，由于分立元件较多，因此设计难度大、易出错、精度低，并且设计完成后，若需要修改，只能重新进行电路设计、制版、焊接等工作。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服了传统测试系统的不足，提供一种低频方波周期检测系统，提高了低频方波周期信号的频率检测精度。

本实用新型的技术解决方案是：一种低频方波周期检测系统，包括光电隔离电路、信号整形电路、FPGA信号采集单元、ARM数据处理单元以及计算机，经由接近开关输出的低频方波信号先经过光电隔离电路进行信号隔离，隔离后的低频方波信号由信号整形电路进行整形处理，FPGA对经过整形处理的低频方波信号进行周期计数，ARM系统对FPGA的周期计数值进行处理计算得到低频方波的周期值，计算机将该周期值进行存储；所述的光电隔离电路由限流电阻、光电耦合芯片、限压电阻和电容组成，在接近开关和光电耦合芯片之间接限流电阻，光电耦合芯片输出端与供电电压之间接限压电阻，在光电耦合芯片输出端与地之间接电容。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：本系统采用接近开关作为信号采集传感器，通过光电隔离、信号整形后，利用FPGA和ARM完成低频信号周期的高精度测量，FPGA内部频率的检测逻辑可以根据不同项目的需要，随时进行修改，因此大大提高了系统设计的灵活性。采用该低频方波周期检测系统对质量特性综合测试台的转动惯量测量误差小于0.05％，试件转动惯量+0.1kg·m2，大大提高了低频方波周期信号的频率检测精度。

附图说明：

图1本实用新型的系统组成结构图；

图2为本实用新型光电隔离电路原理图；

图3为本实用新型信号整形电路原理图；

图4为本实用新型FPGA信号采集和控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述：

扭摆频率的检测选用接近开关，当扭摆台转动时，接近开关将被打开和关闭，通过检测接近开关的打开和关闭的方波信号，即可得到扭摆周期。为了提高测量精度，本实用新型选用速度快、使用灵活的FPGA进行低频扭摆周期采样，采样结果通过ARM处理器读取，并通过串口发送到PC机，通过PC机的软件完成转动惯量的计算。

如图1所示，低频方波周期检测系统主要包括光电隔离电路、信号整形电路、FPGA信号采集单元、ARM数据处理单元以及检测计算机。接近开关信号经过光电隔离和信号整形后进入FPGA，FPGA通过一系列的处理后，将采样到的周期值保存到RAM区，并发送读取信号给ARM处理器，ARM处理器得到读取信号后，根据FPGA的状态位，到指定地址读取周期值，经处理后，通过串口发送到PC机，下面详细介绍各部分的主要功能。

由于接近开关的输出信号是12V，而FPGA是CMOS电路，工作电压为3.3V；因此光电隔离电路选用4N25光电隔离芯片，该芯片不但实现了电压转换，而且起到了内外电路的隔离，提高了该频率检测模块的抗干扰能力和安全性。光电隔离电路是由限流电阻R401、光电耦合芯片IC401、限压电阻R402和电容C401组成，电路原理见图2。接近开关Z401、的有感距离为8-12mm，选型由工程机械尺寸决定，其一为电感式，接近目标为铁金属，尺寸较大；其二为霍尔半导体式，接近目标为磁铁，尺寸较小。接近开关的供电为6-30V，其输出方式有两种，一种如图2所示为PNP输出方式；另一种为NPN输出方式，需要改接光电耦合芯片IC401输入电路即可。IC401为信号隔离光偶，以免有害高压信号接入烧坏电路，选择型号为4N25，其输入限流电阻R401可根据供电电压决定，当供电电压为6V时限流电阻R401为250欧姆。光偶输出接限压电阻R402，根据供电电压选1K欧姆。其输出信号经滤波电容C401后为Vin进入下一级整形电路。

接近开关的输出的方波信号存在一定的边沿抖动，信号噪音较大，为了提高频率的检测精度，在信号进入FPGA前，将信号通过整形电路整形成较理想的方波信号。整形电路是由电阻R406、电容C402、电阻R407、电阻R408、与门M401、电容C404、或门M402、电阻C405、电阻R409和发光二极管D401组成，电路原理见图3。一方面为了得到较陡峭的上升沿和下降沿必须要进行信号整形，另一方面为了防止信号干扰就要针对高频杂波进行滤波，针对这两方面的设计是矛盾的，所以整形电路分两级，在第一级的输入加入了较弱的高频滤波和限流，由阻值100的电阻R406欧姆和容值0.01uF的电容C402组成。并采用了上拉下垫的方法，增加了阻值24K的电阻R407和阻值30K的电阻R408。第一级整形由与门M401完成，型号TC7SH08FU，为得到较好的波形把与门的输入端并联。C404为电源滤波电路。整形电路第二级由或门M402完成，型号TC7SH86FU，一方面继续增加整形效果，使方波的升降沿更加稳定，这样可以使升降沿的抖动基本消除，同时也把高频杂波逐级减弱致消除。另一方面增加了输出的带载能力，使信号E-LED就可以作为FPGA的输入信号。最后设计了限流电阻R409阻值为470欧姆和发光二级管D401，在接近开关工作时便于观察和检测。

FPGA信号采集和控制原理见图4，FPGA信号采集单元主要有两个计数器、两个数字滤波器、两个存储器、两个总线缓冲器以及时序控制逻辑等部分组成。为了提高周期的测量精度，通过FPGA内部的PLL，将高电平半周期计数器的计数频率倍频到25MHz；为了不间断的进行周期采样，采用两个计数器交替进行采样，高电平半周期计数器从上升沿开始计数，下降沿计数停止，停止计数后，计数值经过数字滤波器滤波、存储器存储以及缓冲器缓冲后通过控制逻辑将计数值存入RAM中，并中断ARM处理器和设置状态标志，ARM处理器进入中断处理程序后，将根据FPGA的状态标志，到相应的RAM区读取计数值。低电平半周期计数器从下降沿开始计数，上升沿停止，其工作方式与高电平半周期计数器相同。

虽然该模块已经对接近开关的信号进行了光电隔离和整形，但是开关信号的上升沿和下降沿仍存在一定的抖动，因此通过对计数器的开始计数和结束计数信号进行数字滤波处理，进一步提高了周期测量精度。

FPGA与ARM并行总线通讯：FPGA与ARM系统的数据通讯采用并行总线方式，由于ARM总线与FPGA的总线时序不匹配，无法直接进行通讯，ARM的总线时序是固定的，无法通过编程改变其时序，而FPGA对时序的编程比较方便，通过对FPGA总线时序进行了修改，实现了ARM和FPGA总线通讯。ARM处理器可以根据需要直接对FPGA内部的RAM区进行读取数据，数据传输非常方便。

ARM处理器主要完成数据的读取、处理和数据传输。ARM数据处理单元采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMIS核、LQFP64封装的LPC2138，该芯片主要完成数据的读取、处理和数据传输。当ARM处理器得到FPGA的中断信号后，进入中断处理程序，读取FPGA的状态标志，根据状态标志，读取FPGA内相应的RAM区；由于FPGA的单个计数器的计数值不是一个完整扭摆周期内的计数值，因此，ARM系统对读入的一系列计数值后，进行一系列的处理后，计算出整周期值，并通过串口发送到PC机。

由于FPGA内部是由可编程门阵列构成，因此其速度非常快，且其内部有高精度锁相环，能够保证高频计数器的频率精度。另外，由于FPGA内部逻辑可以编程，能够实现对被测信号的数字滤波处理，因此与传统设计相比，能够进一步提高频率检测精度。经检测该频率检测系统能够达到0.01％秒的周期测量精度，而卫星转动惯量的周期测量精度要求0.1％秒，因此该模块能够较好的满足卫星转动惯量的测量要求。

本实用新型未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种低频方波周期检测系统，其特征在于包括：光电隔离电路、信号整形电路、FPGA信号采集单元、ARM数据处理单元以及计算机，经由接近开关输出的低频方波信号先经过光电隔离电路进行信号隔离，隔离后的低频方波信号由信号整形电路进行整形处理，FPGA对经过整形处理的低频方波信号进行周期计数，ARM系统对FPGA的周期计数值进行处理计算得到低频方波的周期值，计算机将该周期值进行存储；所述的光电隔离电路由限流电阻、光电耦合芯片、限压电阻和电容组成，在接近开关和光电耦合芯片之间接限流电阻，光电耦合芯片输出端与供电电压之间接限压电阻，在光电耦合芯片输出端与地之间接电容。

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