基于ipc控制系統(tǒng)的實(shí)施高精度測頻方法

1、基于IPC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高精度測頻方法張予生1，王明武2，王永華2（1鄭州輕工業(yè)學(xué)院 后勤保障處，河南 鄭州 4500022鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002）摘要：針對IPC控制系統(tǒng)中流量計(jì)高精度的實(shí)時(shí)測頻問題，分析了PCI-1712L和KPCI-714的測頻原理和實(shí)際測試結(jié)果；通過PLC高速計(jì)數(shù)功能完成了對流量計(jì)的測頻，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)流量的高精度測量；利用平均值濾波算法修正了誤差，使得精度進(jìn)一步提高。該方法測到的頻率精度達(dá)到0.4, 采集速度為20次/秒。關(guān)鍵詞：IPC控制系統(tǒng)；流量計(jì)頻率測定 ；PLC高速計(jì)數(shù)通道；PCI-1712L; KPCI-7414 中

2、圖分類號：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：BA real-time frequency measuring method with high accuracy based on IPC control systemZhang Yusheng1,Wang Yonghua 2, Wang Mingwu 2( 1 Dept. of Logistics, ZhengZhou university of light Industry, Zhengzhou 450002, Henan State2 ZhengZhou university of light Industry. Key Laboratory

3、of informational Electric Apparatus in Henan State,Zhengzhou 450002)Abstract: To solve real-time frequency measuring problem of flow meter with high accuracy in the IPC control system, analyzed the frequency measuring principium and actual results of PCI-1712L and KPCI-714. By using high speed count

4、er of PLC, measured the frequency of flow meter at high accuracy. Adopted the average filtering algorithm to modify error and improve data precision. The precision of frequency parameter can reach 0.4 % and the sampling speed can reach to 20 times/sec by using this method.Keywords：Industry PC contro

5、l system; frequency measuring of flow meter; high speed counterof PLC; PCI-1712L; KPCI-74140 引言氣動閥性能參數(shù)采集與處理系統(tǒng)是針對高標(biāo)準(zhǔn)的軍用氣動閥性能測試要求而設(shè)計(jì)的。介質(zhì)流量是氣動閥最重要的性能參數(shù)，它是通過流量計(jì)輸出的一串幅值為30VDC的頻率信號而獲得的。測試介質(zhì)是高壓壓縮空氣，流速極快，所以如何實(shí)現(xiàn)流量計(jì)實(shí)時(shí)的高精度測頻是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)和重要環(huán)節(jié)。我們先后使用臺灣研華公司PCI-1712L數(shù)據(jù)采集卡和北京科日新公司KPCI-7414測頻模塊對流量計(jì)測頻，結(jié)果都很不理想，滿足不了系

6、統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性和精度要求。我們最后用PLC高速計(jì)數(shù)功能成功完成了這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)工作原理圖1為氣動閥性能參數(shù)采集與處理系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)采集的參數(shù)主要有前壓、后壓、壓差、溫度和流量等。測試氣源由電磁閥來控制開斷，氣源開通后，被測閥前后的壓力變送器實(shí)測值分別為P1和P2，兩者差即為被測閥的壓差。調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)測試介質(zhì)的流量?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)選擇瑞士E+H 的產(chǎn)品，它精度高、響應(yīng)速度快，提供兩路輸出信號，一路為頻率信號，用來測試介質(zhì)的流量；另一路為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號，用來測試介質(zhì)的溫度。綜合考慮，系統(tǒng)選用工控機(jī)（IPC）、數(shù)據(jù)采集卡和PCAtuo組態(tài)軟件配合使用的控制方案。 前壓力變送器圖1

7、 被測閥檢測過程原理圖2 流量計(jì)測頻E+H 流量計(jì)的頻率信號用來測定介質(zhì)的瞬時(shí)流量，其滿量程為21000Hz。壓縮空氣的流速極快，7 8秒就測試完畢一次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求每60ms采集一次流量計(jì)頻率值，精度為0.5，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。2.1 PCI-1712L數(shù)據(jù)采集卡測頻由于本控制系統(tǒng)是基于IPC的，所以我們首先想到用數(shù)據(jù)采集卡上的集成功能對流量計(jì)進(jìn)行測頻。PCI-1712L是一款高速多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。它提供16路模擬量輸入，16路數(shù)字量輸入/輸出，以及3個(gè)10M Hz時(shí)鐘的16位多功能計(jì)數(shù)器通道。PCI-1712L是硬件和軟件配合進(jìn)行測頻，需要兩個(gè)計(jì)數(shù)器通道CNT來完成，如圖2

8、所示。CNT1的OUT端接到CNT2的GATE端，流量計(jì)的頻率信號接到CNT2的CLK端。CNT1采用單觸發(fā)（One Shot）方式，用來觸發(fā)和結(jié)束CNT2計(jì)數(shù)；CNT2用來累計(jì)CNT1的每個(gè)單觸發(fā)周期內(nèi)被測到的信號脈沖數(shù)，從而測出信號頻率。流量計(jì)輸出頻率范圍為21000Hz（屬于板卡的0.2Hz13kHz低頻信號），此時(shí)板卡的內(nèi)部時(shí)鐘頻率默認(rèn)為10kHz ，每個(gè)單觸發(fā)周期為6秒左右，即每6秒才能更新讀數(shù)一次。實(shí)際的測試結(jié)果比這個(gè)延遲時(shí)間還長一些，所以無法滿足流量計(jì)測頻的實(shí)時(shí)性要求。圖2 PCI-1712L測頻示意圖 2.1 KPCI-7414模塊測頻K-7414 是CAN總線脈沖計(jì)數(shù)測頻模塊

9、，具有獨(dú)立的RS485串行通信接口,計(jì)數(shù)頻率最高達(dá)2MHZ，如圖3所示。K-7414采用8254作為計(jì)數(shù)芯片，其工作方式由上位機(jī)通過串口總線設(shè)定，這里使用的RS-485串行通訊。實(shí)際接線時(shí)把被測信號接到R485A端和R485B端，并短接RR端和R485B端。信號上升沿觸發(fā)K-7414模塊計(jì)數(shù)，下降沿終止計(jì)數(shù)。KPCI-7414輸出信號通過RS485/RS232轉(zhuǎn)換器送入IPC中進(jìn)行處理。KPCI-7414圖3 KPCI-1714測頻示意圖KPCI-7414的板載晶振是2MHz（脈沖周期0.5µs），它的測頻原理是當(dāng)模塊采集到N個(gè)現(xiàn)場脈沖頻率信號時(shí)，通過所含有的晶振脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出現(xiàn)場脈

10、沖信號的周期和頻率。比如1個(gè)信號半周內(nèi)晶振脈沖個(gè)數(shù)是100，那么被測的現(xiàn)場頻率信號半周的脈寬為100×0.5µs 50µs，一周的脈寬就是100µs，從而其頻率f就是1/100µs10000Hz。KPCI-7414測頻是嚴(yán)格以現(xiàn)場脈沖頻率信號的占空比為50%為前提的，另外在高頻時(shí)現(xiàn)場脈沖信號的脈寬很小，這些都給實(shí)際測試結(jié)果造成較大的誤差，無法達(dá)到流量計(jì)測頻的精度要求。2.3 S7-200 PLC高速計(jì)數(shù)通道測頻我們最后采用S7-200 PLC（CPU 222）的高速計(jì)數(shù)功能有效地解決了這一問題。具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。PLC高速計(jì)數(shù)通道在每個(gè)

11、50ms時(shí)間內(nèi)累加它采集到的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖個(gè)數(shù)存放在VD604存儲單元中。最后VD604*20，即為流量計(jì)的實(shí)時(shí)頻率值。圖4 PLC頻率測試程序流程框圖為了使數(shù)據(jù)精度更高，測頻程序中還采用了平均值濾波算法。實(shí)際的測試結(jié)果表明，采用PLC高速計(jì)數(shù)通道測頻，既能滿足測頻的實(shí)時(shí)性的要求，又能滿足數(shù)據(jù)精度的要求。具體的系統(tǒng)程序如下。主程序：LD SM0.1MOVB 16#F8, SMB37 /初始化高速計(jì)數(shù)器0控制字節(jié)MOVD +0, SMD38 /清高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前單元HDEF 0, 0 /定義高速計(jì)數(shù)器0為工作方式0CALL SBR_0 /調(diào)用子程序0子程序：LD SM0.0MOVB 50, SMB

12、34 /時(shí)基中段0，定時(shí)50msATCH INT_0, 10 /50ms時(shí)間到，調(diào)用中斷程序0ENI /全局開中段HSC 0 /啟動高速計(jì)數(shù)器0中斷程序：LD SM0.0 /讀高速計(jì)數(shù)器0的讀數(shù)值到VD200MOVD HC0, VD200LD SM0.0 /把脈沖個(gè)數(shù)依次壓入到VD516- VD504中MOVD VD504, VD500MOVD VD508, VD504MOVD VD512 VD508MOVD VD516, VD512MOVD VD200, VD516LD SM0.0 /求脈沖個(gè)數(shù)的5次累加和MOVD VD500, VD600+D VD504, VD600+D VD508, V

13、D600+D VD512, VD600+D VD516, VD600LD SM0.0DTR VD600, LD0LD SM0.0MOVR LD0, LD4/R 5, LD4 /得到脈沖的平均值LD SM0.0MOVR LD4, LD8*R 20.0, LD8 /測得頻率信號的大小PLC不僅完成了流量計(jì)的頻率測定，同時(shí)，系統(tǒng)的幾路數(shù)字量（電磁閥、接近開關(guān)以及指示燈等）也用PLC來實(shí)現(xiàn)其邏輯控制，這樣就省去了在數(shù)據(jù)采集板上使用數(shù)字量I/O時(shí)所必須采取的一些麻煩措施。3 結(jié)語采用PCI-1712L數(shù)據(jù)采集卡對低頻率信號進(jìn)行測定，其測頻周期的延遲時(shí)間太長；采用KPCI-1714進(jìn)行測頻，其測頻結(jié)果誤差

14、比較大，它們都不能同時(shí)滿足測頻的實(shí)時(shí)性和精度要求。最后，在IPC測控系統(tǒng)中我們使用PLC高速計(jì)數(shù)通道對流量計(jì)進(jìn)行測頻，并且采用平均值濾波算法對誤差進(jìn)行修正，完成了測頻環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。該方法的使用結(jié)果表明它在實(shí)時(shí)性和精度兩個(gè)方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是解決了在基于IPC的控制系統(tǒng)中高精度實(shí)時(shí)頻率測量的問題。4 參考文獻(xiàn)1. Advantech. PCI-1712/1732 User's manual. 2001.32. kerix. K-7414光隔脈沖量計(jì)數(shù)/測頻模塊實(shí)用說明書.2006.23.李堃弸等. 測控領(lǐng)域中基于VB 的數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J .微計(jì)算機(jī)信息2005, 1: 46- 474.于鋒等. 基于PCI- 1714 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息 2005，1：60-625.王永華主編. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù). 北京航空航天出版社，2003作者簡介：張予生（1962-），男，漢，電氣工程師，主要從事電氣技術(shù)工程項(xiàng)目開發(fā)和電氣設(shè)備維護(hù)等工作；王明武（1980-），男，漢，在讀碩士生，研究方向?yàn)楣I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技