基于ARM的水轮机组转速测量

摘要 ：介绍了一种基于LPC2104微控制器及嵌入式实时操作系统 IzC／OS2的转速测量装置。说明其工作原理的同时，着重分析了测量精度；并就系统总体结构、硬件选择、txC／OS2的应用作了论述。

I  前言

    频率 (转速)是电力系统最重要的参数之一。稳态时，发电机同步运行，整个系统的频率是相等的，机组的频率与转速的关系是f=pn／60。系统频率的变化对发电机和系统安全性及给用户带来不利影响。机组转速的测量有两种方式，即利用齿盘的机械脉冲测速和利用 Prr的电气残压测速。

2 转速检测原理

    PT信号经过降压 、限幅后，利用施密特触发器整形，进行 2分频，然后经过光电耦合器进入单片机；齿盘信号亦通过整形2分频经由光电耦合器进入微控制器。LPC2104微控制器内部有两个32位定时器：定时器0及定时器 1，定时器对外设时钟pclk计数，根据相关匹配寄存器的设置，当匹配时产生中断；还可以工作在捕获方式，当输入信号跳变时，可产生中断 。这里预分频寄存器TOPR设置预分频计数器TOPC的最大值为 12，相当于12分频 ；捕获控制寄存器TOCCR设置触发事件为双边沿发生，CAP0．0为捕获信号，见图 1

    CAP0．0引脚上的电平跳变引发捕获，同时将其导人相应的捕获寄存器 CR0，由图 1可知，T就是频率信号的周期。

    所选晶振为 22．1184MHz，此时外设时钟频率polk=22。1184MHz，当进行12分频后有pelk／12= 1843200Hz，定时器0长度为32，则 fmin=184320O／2 一1=4．29·10～Hz，fmax=1843200Hz；当频率为5oHz时，计数器的值为 36864，Af=1843200· (1／36864 —1／36865) =1．36·10～Hz，分辨率全程不相等，但是在0～100Hz范围内可以确保0．01Hz。齿盘信号的处理同上。

3  系统组成

    系统总体结构见图 2，以 LPC2104为核心，采用 ~C／OS2；LCD用于实时显示测量频率，设定频率；RS232用于和 PLC及上位机通信；为方便使用，设置两个设定值修改按键，一个加一个减；另外还有报警输出电路，用于超限报警。

    为提高装置的抗干扰能力，采取了一些措施 ：首先是信号要进行低通滤波，送人微控制器要经光耦，目的是将地隔离；其次是电源部分要使用滤波器，并接地，滤波器要装压敏电阻抑制电路中出现的异常过电压；再就是使用看门狗，防止程序 “跑飞”。

3．1  硬件设计

    LPC2104是 PHILIPS公司生产的支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI—S处理器， 16kB片内静态 RAM，128kB片内Flash程序存储器；多个串行口，有2个 UART，1个高速 12C和1个SPI；两个32位的定时器，实时时钟和看门狗定时器 ；最多达32个可承受5V 的 GPIO； 1．65V～1．95V供电，有两个低功耗模式；LQFP封装，体积小；具有ISP和IAP功能。其 Po。2／CAP0．0及 P0．4／CAP0．1连接两路输人信号。

液晶显示模块选用 LCM12864Zk，液晶屏幕为 128·64点阵；可显示四行，每行8个汉字，字型ROM内含8192个l6·16点阵中文字型和128个16·8半宽的字母符号字型；与单片机接口灵活，串行／并行两用；3V供电，低功耗设计。可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，使用方便。数据线 D。～D 与 Po．15～Po．8相连；读写数据起始脚 E接 Po．16，读写控制脚 R／w接Po．17，选择寄存器 RS接 Po．18；模块电源 VCC为3．3V，KA间背景光电源使用 4．3V，电位器用于亮度调整。

    上位机的串口使用的是 RS232标准，为负逻辑，一3～一15 V表示逻辑 “1”， +3～+15 V表示逻辑 “0”；CMOS电平是正逻辑 ，+3．5～+5V表示逻辑 “1”，0～+1．5V表示逻辑 …0’所以在和微控制器通信时必须进行电平转换，采用 MAXIM公司的单一 +5V供电的 MAX232A电平转换芯片来实现，LPC211M使用 UART0口之P0．0／TxD0及 P0．1／RxD0引脚与 MAX232A连接见图3，简单的三线连接。

    设定值加按键连 m 5，设定值减按键连 P0．6报警输出使用 P0．7，硬件电路原理如图3示。

3．2 软件设计

    软件设计采用嵌人式操作系统 ~C／OS2，在ADS1．2开发环境 中进行。~C／OS2是美国学者Jean J．Labrosse编写的源码公开、可移植、可裁减的抢先式实时多任务操作系统，完成进程管理、存储管理、文件系统、网络接口及进程间通讯等功能。从8位到64位，~C／OS2可以在多种架构的微处理器上工作；广泛应用于工业控制、消费电子、无线通信等领域。

    设计工作主要由 ~C／OS2的移植及驱动程序的设计两部分组成。移植中涉及到了三个文件：OS CPU．H，OS CPU— — — A．ASM 和 OS— CPU— C．C；另外时钟中断服务程序也需编写。根据测量装置的需求，有 5个任务：起始任务、数据采集 、串行通讯 、液晶显示及按键输入，优先级从高到低。

4 结束语

    装置充分发挥了 ARM处理器高性能、低功耗及低成本的特点，结合具有实时性好及可靠性高的嵌人式操作系统 ~C／OS2，完成数据采集、处理功能。转速测量装置具有价格低廉，可靠性高，使用方便的特点，技术指标达到设计要求。