基于ipc控制系統(tǒng)的實施高精度測頻方法

1、基于IPC控制系統(tǒng)的實時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實驗室，河南 鄭州 450002）摘要：針對IPC控制系統(tǒng)中流量計高精度的實時測頻問題，分析了PCI-1712L和KPCI-714的測頻原理和實際測試結(jié)果；通過PLC高速計數(shù)功能完成了對流量計的測頻，實現(xiàn)了實時流量的高精度測量；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)；流量計頻率測定 ；PLC高速計數(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，所以如何實現(xiàn)流量計實時的高精度測頻是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的一個難點和重要環(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測頻模塊對流量計測頻，結(jié)果都很不理想，滿足不了系

6、統(tǒng)設(shè)計的實時性和精度要求。我們最后用PLC高速計數(shù)功能成功完成了這一環(huán)節(jié)的設(shè)計。 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（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 流量計測頻E+H 流量計的頻率信號用來測定介質(zhì)的瞬時流量，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)計要求每60ms采集一次流量計頻率值，精度為0.5，這是系統(tǒng)設(shè)計的一個難點。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10M Hz時鐘的16位多功能計數(shù)器通道。PCI-1712L是硬件和軟件配合進(jìn)行測頻，需要兩個計數(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計數(shù)；CNT2用來累計CNT1的每個單觸發(fā)周期內(nèi)被測到的信號脈沖數(shù)，從而測出信號頻率。流量計輸出頻率范圍為21000Hz（屬于板卡的0.2Hz13kHz低頻信號），此時板卡的內(nèi)部時鐘頻率默認(rèn)為10kHz ，每個單觸發(fā)周期為6秒左右，即每6秒才能更新讀數(shù)一次。實際的測試結(jié)果比這個延遲時間還長一些，所以無法滿足流量計測頻的實時性要求。圖2 PCI-1712L測頻示意圖 2.1 KPCI-7414模塊測頻K-7414 是CAN總線脈沖計數(shù)測頻模塊

9、，具有獨立的RS485串行通信接口,計數(shù)頻率最高達(dá)2MHZ，如圖3所示。K-7414采用8254作為計數(shù)芯片，其工作方式由上位機通過串口總線設(shè)定，這里使用的RS-485串行通訊。實際接線時把被測信號接到R485A端和R485B端，并短接RR端和R485B端。信號上升沿觸發(fā)K-7414模塊計數(shù)，下降沿終止計數(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個現(xiàn)場脈沖頻率信號時，通過所含有的晶振脈沖個數(shù)計算出現(xiàn)場脈

10、沖信號的周期和頻率。比如1個信號半周內(nèi)晶振脈沖個數(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，另外在高頻時現(xiàn)場脈沖信號的脈寬很小，這些都給實際測試結(jié)果造成較大的誤差，無法達(dá)到流量計測頻的精度要求。2.3 S7-200 PLC高速計數(shù)通道測頻我們最后采用S7-200 PLC（CPU 222）的高速計數(shù)功能有效地解決了這一問題。具體的實現(xiàn)框圖如圖4所示。PLC高速計數(shù)通道在每個

11、50ms時間內(nèi)累加它采集到的脈沖個數(shù)，脈沖個數(shù)存放在VD604存儲單元中。最后VD604*20，即為流量計的實時頻率值。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。實際的測試結(jié)果表明，采用PLC高速計數(shù)通道測頻，既能滿足測頻的實時性的要求，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 /初始化高速計數(shù)器0控制字節(jié)MOVD +0, SMD38 /清高速計數(shù)器當(dāng)前單元HDEF 0, 0 /定義高速計數(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 /時基中段0，定時50msATCH INT_0, 10 /50ms時間到，調(diào)用中斷程序0ENI /全局開中段HSC 0 /啟動高速計數(shù)器0中斷程序：LD SM0.0 /讀高速計數(shù)器0的讀數(shù)值到VD200MOVD HC0, VD200LD SM0.0 /把脈沖個數(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不僅完成了流量計的頻率測定，同時，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，它們都不能同時滿足測頻的實時性和精度要求。最后，在IPC測控系統(tǒng)中我們使用PLC高速計數(shù)通道對流量計進(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。該方法的使用結(jié)果表明它在實時性和精度兩個方面都達(dá)到了設(shè)計的要求。本文的創(chuàng)新點是解決了在基于IPC的控制系統(tǒng)中高精度實時頻率測量的問題。4 參考文獻(xiàn)1. Advantech. PCI-1712/1732 User's manual. 2001.32. kerix. K-7414光隔脈沖量計數(shù)/測頻模塊實用說明書.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)計與實現(xiàn) J .微計算機信息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. 微計算機信息 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，研究方向為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技