基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法

2023-09-23 13:54:30 2

專利名稱：基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法
技術領域：
本發明屬於電氣化鐵路牽引自動化及電力系統變電站自動化領域，尤其是一種基 於eTPU(增強型時序處理單元——enchanced Time ProcessorUnit)的交流信號自動同步 採樣和頻率測量方法。
背景技術：
在電氣化鐵路牽引自動化系統及電力系統變電站綜合自動化系統，為了實現對相 關電力設備正常的控制和監測，需要對各種交流電壓、電流信號進行準確測量，並且當上述 信號的頻率發生變化時，能夠實時調整採樣頻率，來實現對上述信號的自動同步採樣。對於交流信號自動同步採樣和頻率測量，一般方式為首先將交流信號轉換為方 波信號，利用微控制器的定時器對該信號進行周期測量，並計算出頻率，然後根據測量到的 頻率值，通過軟體方式來控制AD採樣晶片的頻率，實現自動同步採樣。上述方法，交流信號 的頻率測量及同步採樣的精度受微控制器的定時器精度限值，並需要較嚴格的軟硬體配合 工作實現，因此測量精度和實時性不高。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其 工作方法，它可以克服現有技術的不足，利用MCF523X中eTPU的GPIO和PWM功能，實現對 交流信號的自動同步採樣和頻率測量，是一種實時性好，精度高，資源消耗小，便於在嵌入 式系統中實現的系統，其工作方法簡單易操作。本發明的技術方案一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置，其特徵 在於它包括微控制器單元、交流正弦波/方波轉化模塊、AD轉換模塊、低通濾波單元和電壓 基準單元；其中，所說的微控制器單元的輸入端與交流正弦波/方波轉化模塊的輸入端和 AD轉換模塊的輸入端連接，其輸出端與AD轉換模塊的輸出端；所說的交流正弦波/方波轉 化模塊的輸入端與低通濾波單元的輸出端連接；所說的AD轉換模塊的輸入端採集電壓基 準單元的電壓信號；所說的低通濾波單元的輸入端採集交流信號模擬量。上述所說的AD轉換模塊是由兩片並行工作的帶有啟動採樣轉換輸入端的 AD7656-1晶片組成；每個晶片的輸入端均與微控制器單元、低通濾波單元和電壓基準單元 的輸出端連接，其輸出端均與微控制器單元的輸入端連接；所說的每片AD7656-1晶片均與 微控制器單元呈雙向連接。上述所說的微控制器單元採用具備eTPU功能模塊的帶有數據/地址線的 freescal公司MCF523x系列晶片；所說的eTPU功能模塊包括通道1和通道2，其中，所說 的通道2與AD轉換模塊的啟動採樣轉換輸入端連接，所說的通道1與交流正弦波/方波 轉化模塊的輸出端連接，所說的微控制器單元依數據/地址線分別與AD轉換模塊的兩片 AD7656-1晶片呈雙向連接。
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上述所說的MCF523X系列晶片可以是MCF5234晶片，其工作總線頻率為75MHz， eTPU模塊的定時器工作基準頻率為9. 375MHz,即對微控制器總線頻率進行8分頻，此時交 流電壓、電流信號為每周波32點等間隔採樣，即對於50Hz的交流信號，20毫秒完整周期內 實現32次採樣，採樣頻率為1. 6kHz。一種上述基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置的工作方法，其特徵在 於它包括以下步驟①對eTPU模塊的功能進行初始化首先，對eTPU通道1進行中斷加載，並允許中 斷產生；然後對eTPU模塊進行基本配置，包括將eTPU微碼庫加載到內存，配置eTPU通用 寄存器，複製eTPU通用參數到數據RAM中；②設置eTPU模塊的通道1工作模式為GPIO功能的輸入捕捉方式，並指定捕捉步 驟①中所產生的方波信號的上升沿和下降沿，並設置GPIO輸入捕捉事件發生時觸發中斷； 此時如果不是則終止後續操作；如果為上升沿，則讀取eTPU模塊的基準時鐘當前計數值， 並根據上個上升沿的計數值，計算出本次完整脈衝的計數值；③設置eTPU模塊的通道2工作模式為PWM輸出方式，初始輸出脈衝周期為20毫 秒，佔空比固定為20%，啟動eTPU模塊功能，開始採樣工作；④由低通濾波單元採集需要進行頻率測量的交流電壓信號，並送入交流正弦波/ 方波轉化模塊中進行波形信號轉換，將轉換好的方波信號送給微控制器單元中的eTPU模 塊的通道1 ；⑤將低通濾波單元採集需要進行採樣的交流電壓信號、電流信號送入AD轉換模 塊中兩片並行工作晶片的各個輸入端，且由eTPU模塊的通道2連接到AD轉換模塊的啟動 採樣轉換輸入端，AD晶片在收到PWM輸出信號的上升沿時開始啟動AD採樣轉換；⑥當AD轉換模塊中晶片完成採樣轉換後，給微控制器單元產生中斷信號，微控制 器在中斷處理函數中完成採樣數據的讀取操作；⑦eTPU模塊的通道1對方波信號進行捕捉，根據捕捉到的脈衝信號的周期時間， 計算出信號的頻率值；⑧每次頻率值計算有效後，根據該頻率值，根據AD轉換模塊中晶片的啟動採樣轉 換的時間要求，設定佔空比固定為20%，通過Freescal公司提供eTPU的PWM模塊軟體功能 模塊操作接口完成對eTPU通道2的PWM的周期值的調整；⑨將每次測量到的頻率值，與最近上兩次測量到的值進行排序，用中間值作為當 前的實際測量頻率；⑩為了保證採樣功能的可靠性，微控制器會通過產品自帶的軟體方式創建並啟動 一個採樣監視任務，完成頻率測量功能的監視，如果eTPU通道一連續1秒鐘沒有捕捉輸入 方波信號的邊沿變化時，則認為當前頻率為50Hz頻率，並按照此頻率值控制交流信號的採樣。上述所說的步驟中⑧所提及到的有效頻率值是指在交流電壓、電流信號的頻率正 常為50Hz時，定義有效測量範圍為44Hz 56Hz，當測量到的頻率超出上述範圍，認為頻率 測量無效。本發明的工作原理本發明中微控制器採用具備eTPU功能模塊的freescal公司 MCF523X系列產品。外部電壓、電流交流信號首先經過低通濾波處理，其中一路電壓信號送到交流正弦波/方波轉換模塊以轉換為方波信號，該方波信號送給微控制器的eTPU模塊的 通道1，eTPU通道1捕捉到輸入方波信號上升沿或下降沿的跳變時，會產生中斷，在中斷處 理函數中完成對方波信號的周期時間測量，然後轉換為頻率值。並根據當前測量到的頻率 值，實時調整eTPU通道2的PWM輸出周期，當交流電壓、電流信號的頻率正常為50Hz，有效 測量範圍為44Hz 56Hz，當測量到的頻率超出上述範圍，認為本次頻率測量無效，不再調 整PWM輸出周期，直到測量到的頻率值位於上述有效範圍內，才重新調整PWM周期，進而控 制AD的採樣頻率，最終控制AD晶片的採樣頻率，為了實現AD採集，需要提供+12V、-12V電 壓基準給AD7656-1。交流正弦波/方波轉換採用過零比較器原理實現。經過低通濾波的所有交流電壓、電流信號送給AD轉換模塊完成AD採集，電壓基準 模塊為AD轉換模塊提供採樣基準電壓。採集完成後AD轉換模塊觸發中斷信號，通知微控 制器讀取轉換完的數據。根據測量到的頻率值，通過eTPU模塊的PWM通道控制AD轉換模 塊的轉換頻率，以實現交流信號的自動跟蹤採樣。根據Freescal公司提供eTPU的通道1和通道2分別作為GPIO、PWM模塊軟體控 制接口，完成eTPU模塊的GPIO輸入捕捉、PWM輸出功能配置和交流信號自動同步採樣控制， 並設置GPIO輸入捕捉事件發生時觸發中斷，實現交流信號的頻率測量，。當產生GPIO捕獲 中斷時，進入GPIO中斷處理函數，在中斷處理函數中實現頻率測量和採樣控制操作。且為 保證交流信號的頻率值測量的準確性和可靠性，每次測量到的頻率值，與最近上兩次測量 到的值進行排序，用中間值作為當前的實際測量頻率。在頻率測量輸入信號丟失的情況下，為保證對交流電壓、電流信號的正常採樣，在 採樣監視任務中增加對頻率測量功能的監視，當連續1秒鐘eTPU通道1沒有捕捉到輸入方 波信號上升沿或下降沿跳變時，默認為當前交流信號的頻率值為50Hz，並以此值為基礎調 整eTPU通道2的PWM信號的輸出周期，按照50Hz頻率對交流電壓、電流信號進行採樣。本發明的優越性在於①充分利用了 MCF523X微控制器的eTPU模塊的靈活功能， 減少了對MCF523X微控制器其它硬體資源的消耗；②由eTPU模塊自動完成頻率信號的捕 捉和PWM信號的輸出功能，不需要MCF523X的幹預，從而降低了 MCF523x對上述功能的負面 影響，保證了可靠性，並降低了 MCF523X微控制器的負荷；③除了頻率測量異常監視外，其 它軟體功能全部在中斷中完成，不會被應用軟體打斷，並且具有很高的優先等級，從而保證 了交流信號頻率測量和自動同步採樣功能可靠性、實時性和穩定性；④eTPU模塊的GPIO和 PWM功能實現全部採用微碼實現，可以保證交流信號頻率值的測量精度和PWM輸出信號的 精確性，保證了交流信號頻率測量和自動同步採樣的精確性；⑤eTPU模塊可以保證，只有 當前PWM信號完全輸出後才按照新的設定參數開始輸出，保證了交流信號自動同步採樣的 連續性和完整性；⑥本發明針對交流信號頻率超限、頻率測量信號丟失等異常情況，採取了 必要的處理措施，可以保證在上述異常情況下能夠繼續基本的採樣和處理功能。


圖1為本發明所涉基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法 的硬體結構示意圖。圖2為本發明所涉基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法 的具體實現硬體示意圖。
圖3為本發明所涉基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法 的eTPU模塊軟體初始化流程示意圖。圖4為本發明所涉基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置及其工作方法 的eTPU模塊頻率測量及同步採樣中斷處理流程示意圖。
具體實施例方式實施例一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置(見圖1)，其特徵在 於它包括微控制器單元、交流正弦波/方波轉化模塊、AD轉換模塊、低通濾波單元和電壓基 準單元；其中，所說的微控制器單元的輸入端與交流正弦波/方波轉化模塊的輸入端和AD 轉換模塊的輸入端連接，其輸出端與AD轉換模塊的輸出端；所說的交流正弦波/方波轉化 模塊的輸入端與低通濾波單元的輸出端連接；所說的AD轉換模塊的輸入端採集電壓基準 單元的電壓信號；所說的低通濾波單元的輸入端採集交流信號模擬量。上述所說的AD轉換模塊是由兩片並行工作的帶有啟動採樣轉換輸入端的 AD7656-1晶片組成完成12路交流電壓、電流信號的採集，每個晶片(見圖2)為6路同步採 樣16位SAR(逐次逼近)型ADC，它與微控制器的數據線寬度為16位，其的輸入端均與微控 制器單元、低通濾波單元和電壓基準單元的輸出端連接，其輸出端均與微控制器單元的輸 入端連接；所說的每片AD7656-1晶片均與微控制器單元呈雙向連接。上述所說的微控制器單元(見圖2)採用具備eTPU功能模塊的帶有數據/地址線 的freescal公司Coldfire系列的MCF5234晶片；所說的eTPU功能模塊共有16個獨立通 道，其中，所說的通道2與AD轉換模塊的啟動採樣轉換輸入端連接，所說的通道1與交流正 弦波/方波轉化模塊的輸出端連接，所說的微控制器單元依數據/地址線分別與AD轉換模 塊的兩片AD7656-1晶片呈雙向連接。上述所說的MCF523X系列晶片可以是MCF5234晶片(見圖2)，其工作總線頻率為 75MHz, eTPU模塊的定時器工作基準頻率為9. 375MHz，即對微控制器總線頻率進行8分頻， 此時交流電壓、電流信號為每周波32點等間隔採樣，即對於50Hz的交流信號，20毫秒完整 周期內實現32次採樣，採樣頻率為1.6kHz。一種上述基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置的工作方法(見圖3、圖 4)，其特徵在於它包括以下步驟①對eTPU模塊的功能進行初始化首先，對eTPU通道1進行中斷加載，並允許中 斷產生；然後對eTPU模塊進行基本配置，包括將eTPU微碼庫加載到內存，配置eTPU通用 寄存器，複製eTPU通用參數到數據RAM中；②設置eTPU模塊的通道1工作模式為GPIO功能的輸入捕捉方式，並指定捕捉步 驟①中所產生的方波信號的上升沿和下降沿，並設置GPIO輸入捕捉事件發生時觸發中斷； 此時如果不是則終止後續操作；如果為上升沿，則讀取eTPU模塊的基準時鐘當前計數值， 並根據上個上升沿的計數值，計算出本次完整脈衝的計數值；③設置eTPU模塊的通道2工作模式為PWM輸出方式，初始輸出脈衝周期為20毫 秒，佔空比固定為20%，啟動eTPU模塊功能，開始採樣工作；④由低通濾波單元採集需要進行頻率測量的交流電壓信號，並送入交流正弦波/ 方波轉化模塊中進行波形信號轉換，將轉換好的方波信號送給微控制器單元中的eTPU模塊的通道1 ；⑤將低通濾波單元採集需要進行採樣的交流電壓信號、電流信號送入AD轉換模 塊中兩片並行工作的AD7656-1晶片的各個輸入端，且由eTPU模塊的通道2連接到AD轉換 模塊的啟動採樣轉換輸入端，AD7656-1晶片在收到PWM輸出信號的上升沿時開始啟動AD採 樣轉換，轉換時間為3微秒；⑥當AD轉換模塊中晶片轉換完成後向MCF5234微控制器觸發中斷，MCF5234晶片 則在檢測到中斷信號後，在中斷處理函數讀取AD7656-1中轉換完成的採樣數據；⑦eTPU模塊的通道1對方波信號的捕捉，根據捕捉到的脈衝信號的周期時間，計 算出信號的頻率值；⑧每次頻率值計算有效後，根據該頻率值，根據AD轉換模塊中晶片的啟動採樣轉 換的時間要求，設定佔空比固定為20%，通過Freescal公司提供eTPU的PWM模塊軟體功能 模塊操作接口完成對eTPU通道2的PWM的周期值的調整；⑨將每次測量到的頻率值，與最近上兩次測量到的值進行排序，用中間值作為當 前的實際測量頻率；此時，若eTPU模塊的基本定時器工作頻率值9. 375MHz，則可計算捕獲 到的脈衝信號的周期和頻率，周期值計算公式為t = χ/9. 375*106t 脈衝信號周期值，單位為秒。χ 通過eTPU通道一獲取的脈衝有效計數值。⑩為了保證採樣功能的可靠性，微控制器會通過產品自帶的軟體方式創建並啟動 一個採樣監視任務，完成頻率測量功能的監視，如果eTPU通道一連續1秒鐘沒有捕捉輸入 方波信號的邊沿變化時，則認為當前頻率為50Hz頻率，並按照此頻率值控制交流信號的採樣。上述所說的步驟⑧中所提及到的有效頻率值是指在交流電壓、電流信號的頻率正 常為50Hz時，定義有效測量範圍為44Hz 56Hz，當測量到的頻率超出上述範圍，認為頻率 測量無效。採用本實例設計的產品，經過測試，交流信號頻率值測量精度誤差< 0.01Hz，電 壓、電流信號的同步採樣精度誤差<0. 1%。
權利要求
1.一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置，其特徵在於它包括微控制器 單元、交流正弦波/方波轉化模塊、AD轉換模塊、低通濾波單元和電壓基準單元；其中，所說 的微控制器單元的輸入端與交流正弦波/方波轉化模塊的輸入端和AD轉換模塊的輸入端 連接，其輸出端與AD轉換模塊的輸出端；所說的交流正弦波/方波轉化模塊的輸入端與低 通濾波單元的輸出端連接；所說的AD轉換模塊的輸入端採集電壓基準單元的電壓信號；所 說的低通濾波單元的輸入端採集交流信號模擬量。
2.根據權利要求1所說的一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置，其特徵 在於所說的AD轉換模塊是由兩片並行工作的帶有啟動採樣轉換輸入端的AD7656-1晶片組 成；每個晶片的輸入端均與微控制器單元、低通濾波單元和電壓基準單元的輸出端連接，其 輸出端均與微控制器單元的輸入端連接；所說的每片AD7656-1晶片均與微控制器單元呈 雙向連接。
3.根據權利要求1所說的一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置，其特 徵在於所說的微控制器單元採用具備eTPU功能模塊的帶有數據/地址線的freescal公司 MCF523X系列晶片；所說的eTPU功能模塊包括通道1和通道2，其中，所說的通道2與AD轉 換模塊的啟動採樣轉換輸入端連接，所說的通道1與交流正弦波/方波轉化模塊的輸出端 連接，所說的微控制器單元依數據/地址線分別與AD轉換模塊的兩片AD7656-1晶片呈雙 向連接。
4.根據權利要求3所說的一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置，其特徵 在於所說的MCF523X系列晶片可以是MCF52!M晶片，其工作總線頻率為75MHz，eTPU模塊的 定時器工作基準頻率為9. 375MHz,即對微控制器總線頻率進行8分頻，此時交流電壓、電流 信號為每周波32點等間隔採樣，即對於50Hz的交流信號，20毫秒完整周期內實現32次採 樣，採樣頻率為1.6kHz。
5.一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置的工作方法，其特徵在於它包 括以下步驟①對eTPU模塊的功能進行初始化首先，對eTPU通道1進行中斷加載，並允許中斷產 生；然後對eTPU模塊進行基本配置，包括將eTPU微碼庫加載到內存，配置eTPU通用寄存 器，複製eTPU通用參數到數據RAM中；②設置eTPU模塊的通道1工作模式為GPIO功能的輸入捕捉方式，並指定捕捉步驟① 中所產生的方波信號的上升沿和下降沿，並設置GPIO輸入捕捉事件發生時觸發中斷；此時 如果不是則終止後續操作；如果為上升沿，則讀取eTPU模塊的基準時鐘當前計數值，並根 據上個上升沿的計數值，計算出本次完整脈衝的計數值；③設置eTPU模塊的通道2工作模式為PWM輸出方式，初始輸出脈衝周期為20毫秒，佔 空比固定為20 %，啟動eTPU模塊功能，開始採樣工作；④由低通濾波單元採集需要進行頻率測量的交流電壓信號，並送入交流正弦波/方波 轉化模塊中進行波形信號轉換，將轉換好的方波信號送給微控制器單元中的eTPU模塊的 通道1 ；⑤將低通濾波單元採集需要進行採樣的交流電壓信號、電流信號送入AD轉換模塊中 兩片並行工作晶片的各個輸入端，且由eTPU模塊的通道2連接到AD轉換模塊的啟動採樣 轉換輸入端，AD晶片在收到PWM輸出信號的上升沿時開始啟動AD採樣轉換；⑥當AD轉換模塊中晶片完成採樣轉換後，給微控制器單元產生中斷信號，微控制器在 中斷處理函數中完成採樣數據的讀取操作；⑦eTPU模塊的通道1對方波信號進行捕捉，根據捕捉到的脈衝信號的周期時間，計算 出信號的頻率值；⑧每次頻率值計算有效後，根據該頻率值，根據AD轉換模塊中晶片的啟動採樣轉換的 時間要求，設定佔空比固定為20 %，通過Freescal公司提供eTPU的PWM模塊軟體功能模塊 操作接口完成對eTPU通道2的PWM的周期值的調整；⑨將每次測量到的頻率值，與最近上兩次測量到的值進行排序，用中間值作為當前的 實際測量頻率；⑩為了保證採樣功能的可靠性，微控制器會通過產品自帶的軟體方式創建並啟動一個 採樣監視任務，完成頻率測量功能的監視，如果eTPU通道一連續1秒鐘沒有捕捉輸入方波 信號的邊沿變化時，則認為當前頻率為50Hz頻率，並按照此頻率值控制交流信號的採樣。
6.根據權利要求5所說的一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置的工作 方法，其特徵在於所說的步驟中⑧中的有效頻率值是指在交流電壓、電流信號的頻率正常 為50Hz時，定義有效測量範圍為44Hz 56Hz，當測量到的頻率超出上述範圍，認為頻率測 量無效。
全文摘要
一種基於eTPU的交流信號同步採樣和頻率測量裝置包括微控制器單元、交流正弦波/方波轉化模塊、AD轉換模塊、低通濾波單元和電壓基準單元；其工作方法對eTPU模塊的功能進行初始化；設置模塊的通道1為GPIO功能的輸入捕捉方式；設置模塊的通道2為PWM輸出方式，開始採樣工作；採集需要進行頻率測量的交流電壓信號，並進行波形信號轉換，將轉換好的方波信號送給eTPU模塊的通道1；AD轉換模塊中晶片完成採樣轉換；eTPU模塊的通道1對方波信號進行捕捉，計算出信號的頻率值；對eTPU通道2的PWM的周期值調整；用中間值作為當前的實際測量頻率；頻率測量功能的監視。本發明是一種實時性好，精度高，資源消耗小，便於在嵌入式系統中實現的系統，其工作方法簡單易操作。
文檔編號G01R23/02GK102116796SQ20101058402
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者張志剛, 曾慶釗, 李政, 趙憲文, 閆兆輝 申請人:天津凱發電氣股份有限公司