高准确性的频率测量系统

摘要：提出并研制了一种高可靠性、高精度、使用简单且便于维护的频率测量系统，该系统用于电力电子测量领域。其硬件系统以嵌入式PC104计算机为测控平台，软件系统以LabWindows/CVI为开发平台，采用测周期法，依据频率大小选用不同的基准频率。经实际测试证实，该设计满足精度和实时性的要求，检测效率高，便于操作与维护。该系统亦可用于其他要求高精度频率测量的领域中。 叙词：频率量测量 PC104 测周期法 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

频率是电力电子系统中1个基本的物理量，其测量问题在工程应用中非常重要。通常的测量方案是选用单片机或可编程逻辑器件。然而，在某些特殊场合，工作环境恶劣，要求测量精度高、可靠性强，使用常规的方案难以达到要求，或成本过高。本文提出了一种基于PC104测控计算机的频率测量系统，依据初步测试得到的待测频率大小选用不同的基准频率，测量精度达到0.2%，且实现了同时测量多路信号的频率。

2 总体设计

交变信号的频率是指单位时间内信号周期性变化的次数，即发fx =N/t，可见测量fx须将N或t作为基准，对另一个量进行测量[1]。基本的测量频率方法有两种：一种是测频法，由测量电路给出标准闸门信号t =Tr，测出待测信号在一定的时间间隔Tr内重复变化次数N, 得被测信号的频率为；另一种方法是测周期法，由测量电路提供标准频率信号fr，以被测信号的周期作为闸门，测出在一个被测信号周期内标准信号fr的个数N，得到被测信号的频率为。两种方法均存在计数器的±1量化误差，测频法的相对误差，测周期法的相对误差。前者fx位于分母，其值越大误差越小，因此对于高频信号有较高的精度，而后者fx位于分子，值越小误差越小，对低频信号的测量精度较高。本文以测周期法为原理，提出的测频方案如图1所示。以PC104测控计算机为硬件平台，设计调理模块对信号进行调理，通过PC104总线输入到操作系统平台上，由数据处理算法进行处理，并在液晶显示器上显示。

图1 测频方案示意图

3 硬件设计

本文以PC104测控计算机为硬件平台，选用的功能模块有DMM-32X-AT、OMM-XT和GPIO-MM-XT，可以实现多路频率信号的同时测量。PC104与标准台式PC(PC/AT)体系结构完全兼容，并且具有结构紧凑，体积小，功耗低，使用温度范围宽(-45℃～85℃)，可靠性高(单个模块MTBF>20万h)，抗恶劣环境，坚固耐用等优点，从而保证了产品的生命周期[2-3]。

图2 传统的周期法测频原理框图

对多路待测频率信号进行分类，将存在先后测试顺序的频率信号共用一组检测电路进行调理，利用多路开关实现信号之间的切换。在测量过程中，实际输入信号存在不确定性及抖动等问题，为了提高测量精度，首先对待测信号进行预处理，通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，接着进行线性放大，再经过零比较器整形为矩形波信号，最后通过双稳态电路输入PC104功能模块卡。

传统的测量周期原理框图如图2所示。在待测频率的1个周期中，高电平时间计数器闸门打开进行计数，低电平时关闭，通过测量出高电平时间计算出信号周期。但是如果遇到干扰，待测频率上升沿和下降沿轻微变化时, 计数就会产生一个脉冲的读数误差。同时，对于占空比未知的信号，采用此原理无法测出准确频率。

因此，为减小误差，并且能测量占空比未知的信号，所提出的测频方案首先将待测信号分频，使测频时间为待测频率信号周期的整数倍，而与占空比无关，如图3所示。另外对于高频和低频信号，采用不同的分频系数，以提高测量精度。对于1kHz以下的信号进行二分频，1kHz以上的信号进行四分频。

硬件电路原理图如图4所示。

图3改进的测频方法原理框图

图4 硬件电路图

4 软件设计

选用NI公司的LabWindows/CVI为软件开发环境，它以ANSIC为核心，有机结合了数据采集、分析和显示等工具，为自动检测系统提供了一个理想的软件开发环境。待测信号较多时，如果使用单一线程，会造成测量或激励冲突，导致系统死机，难以保证实时性。为避免这一现象，在频率量测量程序中，本文使用了多线程技术——线程池。线程池实现了多个任务分时占有CPU，可在一个时间段内并行完成多个任务，适用于需要不连续地执行多次或在循环中执行的任务[4]。同时，软件使用SQLToolkit工具包，记录测试数据，并可进行离线数据分析。软件系统示意图如图5。为了测量多路信号，使用三种功能模块同时测量。

图5 软件结构示意图

4.1 DMM-32-XT模块测频

DMM-32-XT的板载频率有10kHz和10MHz两种，根据输入频率的不同，选用不同的板载频率来测量。首先用10kHz进行测频。计数器是减记数的方式，所以在检测到低电平时，往计数器0赋初值0；当遇到高电平时，计数器自动开始减数。直到再次遇到低电平时停止。这时，将计数器中的值锁存并读出。先从计数器读出低位low，再读出高位high。可求出频率为：

为使测量误差小于0.5%，由得fx≤50，如果待测频率分频后大于50Hz，为了精度更高，将选用10MHz的板载频率再次测量，过程相同。程序流程图如图6。

4.2 OMM-XT模块测频

OMM-XT模块只有一种大小为4MHz的板载频率，在测低频时，以4MHz作为基准频率，计数器会产生溢出。为解决这个问题，将计数器1和计数器2的级连，把计数器1的输出设置为计数器2的输入。计数器1对4MHz分频，产生50kHz的方波，计数器2用此频率作为基准频率计数。而在测高频时，只用计数器2进行测频即可。

为使测量误差小于0.5%，由得fx≤250，为了保留一定的裕度，设定fx≥200时换用测高频方式，即只用计数器2进行测频。同理，由

得fx≤20kHz，当待测信号频率大于20kHz时，精度无法保证，因此该法只适用于20kHz以下的频率。

4.3 GPIO-MM-XT模块测频

GPIO-MM-XT功能模块是基于FPGA的PC104计数器和数字I/O模块，嵌入两个CTS9513计数逻辑器件。其板载频率为40MHz，软件可配置16分频、256分频、4096分频、65536分频，得到大小不同的基准频率。测频原理类似于上述模块。程序流程图如图7。

图6 DMM-32X-AT模块测频流程图

图7 GPIO模块测频流程图

5 实验结果

使用EE1411型合成函数信号发生器产生的频率信号作为输入，对每个信号进行10次测量，得到的实验数据如表1所示，可见测量误差在0.2%以下。

6 结论

本文详细论述了一种高精度频率测量系统，该系统在设计上充分考虑了现场使用环境的特点和用户需求，并为离线数据分析处理提供方便。硬件上采用PC104总线模块，保证系统的高可靠性。软件平台采用NI公司的LabWindows/CVI，软件设计面向测试过程，界面友好，为功能扩展提供了良好基础。经实际测试表明，该系统用于电力电子测量中，满足相应的测试要求和测试指标，操作简单，可靠性好，检测效率高，便于携带和维护。

参考文献
[1] 陈晓荣，蔡萍，周洪全.基于单片机的频率测量的几种实用方法[J].工业仪表与自动化装置,2003,(01) :40
[2] 梁旭，李行善，袁海文.一种基于PC104总线的航空发动机综合检查仪的研制[A].全国第二届总线技术与测控系统工程学术报告会论文集[C].2001：53-56
[3] 连业耀，袁海文，刘颖异.基于PC104的某型发动机参数检查仪的研制[A].金刚.2010年航空试验测试技术峰会暨学术交流会论文集[C].北京:《测控技术》杂志社,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

作者简介
李坤峪（1989-），女，安徽寿县人，硕士研究生，主要研究方向为自动检测技术。■