基于ARM7的精確測速系統(tǒng)設(shè)計＊

廣州航海高等?？茖W(xué)校（廣州510725) 李 漢

1 前言

螺旋槳的直流發(fā)電機模擬裝置如圖1所示，圖中 M為船舶推進電動機，G為模擬海船螺旋槳的他勵直流發(fā)電機，RL為發(fā)電機的負載，B為變速器。為了利用直流發(fā)電機模擬海船螺旋槳，發(fā)電機應(yīng)提供的阻轉(zhuǎn)矩為：

式中 n為推進電動機的轉(zhuǎn)速 (r/min)，GD2為模擬螺旋槳及傳動部件的飛輪矩，為發(fā)電機及傳動部件的飛輪矩，K為槳矩常數(shù)。由此可見，為了準(zhǔn)確調(diào)節(jié)推進電動機的阻轉(zhuǎn)矩，要求在一定的時間內(nèi)精確測量出推進電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速變化率。

指標(biāo)如下：測速范圍：3～1500r/min；測速周期：100ms；測速精度：±0.5%；最大轉(zhuǎn)速變化率：±400r/min/s。

2 測速原理

2.1 干擾脈沖的識別

圖1 海船螺旋槳模擬示意圖

為了在電動機低速時仍然能準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速，必須處理傳動軸振動帶來的問題。光電編碼器的輸出信號如圖2所示，其中(a)為傳動軸平穩(wěn)運行時的波形，(b)為傳動軸有徑向振動時的波形。光電編碼器輸出A、B兩相信號，以A相信號為測速脈沖信號，B相信號為參考信號。由圖2(a)可看出，當(dāng)A相信號的上升沿時刻測得B相信號的電位與A相信號的下降沿時刻測得B相信號的電位不同時，此次脈沖為真實脈沖，反之脈沖為干擾脈沖。具體如下：在A相信號的上升沿時刻測量B相信號的電位 Vu，下降沿時刻測量B相信號的電位 Vd，則

當(dāng) Vu≠Vd時，判定本次脈沖為真實脈沖；

當(dāng) Vu=Vd時，判定本次脈沖為干擾脈沖。

在測速程序中只對真實脈沖給以計數(shù)，而忽略干擾脈沖，這樣在傳動軸出現(xiàn)振動的情況下，使用光電編碼器測速的精度將大大提高。

圖2 光電編碼器輸出波形圖

2.2 抗振動M/T方法

設(shè)定測速周期為 Tc，系統(tǒng)接收到脈沖之后，識別出A相的干擾脈沖，從而決定是否對脈沖進行計數(shù)或作為計時開始/結(jié)束時刻。測速系統(tǒng)從A相信號真實脈沖的下降沿開始計時，在 Tc期間對A相信號不斷判定輸入脈沖的真實性，如果輸入為真實脈沖，則測速計數(shù)器mp加1，如果輸入為干擾脈沖，則測速計數(shù)器保持原值不變，直到計時時間到，記錄測速計數(shù)器的脈沖數(shù) mp、Tc到達前一個真實脈沖下降沿來臨時刻的實際計時長度 Tn，由此計算出轉(zhuǎn)速 n。假設(shè)計時時鐘頻率為 fc(MHz)，則

2.3 判斷轉(zhuǎn)向

在傳動軸有振動的情況下，采用如下的方法判定轉(zhuǎn)向：設(shè)置判向計數(shù)器 Dr，在A相信號脈沖為真實脈沖的下降沿時刻，測量B相信號的電位 Vd，當(dāng) Vd=“1”時，Dr加 1，當(dāng) Vd=“0”時，Dr減 1，在一個測速周期 Tc內(nèi)

Dr＞ 0，則判為正轉(zhuǎn)；

Dr ＜0，則判為反轉(zhuǎn)。

判向計數(shù)器 Dr必須在測速周期開始時清零。這種判向的方法的好處是在一個測速周期內(nèi)記錄A相信號超前于B相信號的脈沖次數(shù)來判斷轉(zhuǎn)向，不會因為幾次干擾造成判向失誤，所以抗振動的性能較好。

2.4 濾波與轉(zhuǎn)速變化率的求取

測量轉(zhuǎn)速之后，為了平滑并求取轉(zhuǎn)速變化率，使用最優(yōu)二階濾波器。輸入為初次測速 r，輸出為轉(zhuǎn)速 n和轉(zhuǎn)速變化率n˙，則濾波器的狀態(tài)方程為

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用PHILIPS公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位嵌入式處理器LPC2114，該處理器具有豐富的片內(nèi)資源，如2個定時器、I2C接口、SPI接口、2個UART接口、PWM、實時時鐘RTC、看門狗、A/D轉(zhuǎn)換器、多路中斷系統(tǒng)和數(shù)量較大的GPIO，給用戶系統(tǒng)設(shè)計帶來較大方便。測速系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，由信號輸入電路、按鍵和LED顯示電路、復(fù)位和電源等部分組成。

圖3 測速系統(tǒng)硬件電路圖

3.1 測速信號輸入電路

光電編碼器輸出A、B相信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整形之后，分別輸入到LPC2114的P0.10端和P0.11端，信號處理電路非常簡單，無需復(fù)雜的硬件電路，抗干擾和脈沖計數(shù)都有軟件完成。

3.2 按鍵和LED顯示電路

顯示電路有兩部分，一部分采用發(fā)光二極管，分別顯示運行、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指示信號；另一部分采用8個數(shù)碼管，用于顯示測速的結(jié)果。發(fā)光二極管直接由 LPC2114 的 GPIO 端口 P0.4、P0.5、P0.6驅(qū)動，而8個數(shù)碼管則通過LED與鍵盤驅(qū)動芯片ZLG7290動態(tài)驅(qū)動，SegA～H端輸出顯示碼，它們通過220!電阻與數(shù)碼管的a～h連接，Dig0～7端輸出位選碼，分兩組，第一組Dig0～3與低4位數(shù)碼管C0～C3連接，第二組Dig4～7與高4位數(shù)碼管C0～C3連接。ZLG7290通過I2C接口與LPC2114連接，具有獨立的晶振電路(6MHz)，其復(fù)位信號由芯片SP708S提供。

系統(tǒng)采用兩個控制按鍵，一個是開始(START)按鍵，另一個是停止(STOP)按鍵。當(dāng)START按下時系統(tǒng)開始工作，同時運行指示燈亮，而STOP按下后系統(tǒng)將停止測速，運行指示燈滅。

3.3 電源與復(fù)位電路

LPC2114需要兩種電壓，+3.3V 和 +1.8V，同時，邏輯電路和編碼器還需要+5V的直流電源，所以電源電路需要通過3種電壓。使用三端穩(wěn)壓電路7805、LM11173-3.3和 LM11173-1.8可提供系統(tǒng)所需的電源。為了提高系統(tǒng)的可靠性，復(fù)位電路使用專用芯片SP708S。SP708S同時向LPC2114和ZLG7290提供復(fù)位信號。

4 軟件設(shè)計

4.1 端口配置

LPC2114內(nèi)部具有兩個32位定時器-定時器0和定時器1，分別具有3路和4路32位的捕獲通道，各有4個匹配寄存器，僅使用一個定時器就完成測速周期定時和測速的要求，這里選用定時器1。編碼器A相脈沖信號從P0.10端口輸入，測速系統(tǒng)需要在A相信號下降沿和上升沿時刻能夠產(chǎn)生中斷并且捕獲該時刻的定時值，因此 P0.10 設(shè)置為 CAP1.0。B 相脈沖信號從P0.11端口輸入，因B相信號需要檢測電位，故P0.11設(shè)置為GPIO，方向設(shè)置為I。定時器C語言初始化程序如下：

測速系統(tǒng)通過I2C接口與ZLG7290連接，管理按鍵和顯示電路需要將P0.2設(shè)置為SCL，P0.3設(shè)置為SDA，才能使用I2C接口。I2C接口C語言初始化程序如下：

測速系統(tǒng)的三個發(fā)光二極管由端口 P0.4、P0.5、P0.6 控制，故P0.4、P0.5、P0.6 應(yīng)設(shè)置為 GPIO，方向為 O。

系統(tǒng)所用宏定義如下：

初始化程序如下：

4.2 測速和判斷轉(zhuǎn)向

抗振動測速和判向主要由定時器1的中斷程序完成，時序圖如圖4所示。圖中測速周期0.1s定時由定時器的匹配寄存器MR0產(chǎn)生，MR0配置為匹配時中斷并且復(fù)位，因此，定時器TC的值在0～110591之間循環(huán)，每次循環(huán)產(chǎn)生一次中斷。中斷時記錄編碼器A相信號真實脈沖計數(shù)器mp的值、判向計數(shù)器Dr的值、mp個真實脈沖的計時長度Tn，由這些數(shù)據(jù)可計算出轉(zhuǎn)速和判斷轉(zhuǎn)向。在中斷程序中計算轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)向和濾波會導(dǎo)致中斷程序執(zhí)行時間過長，為了避免這種情況，使用聯(lián)絡(luò)標(biāo)志位bPro。當(dāng)測速周期結(jié)束時 bPro=“1”，主程序檢測到 bPro為“1”則由 mp、Dr、Tn 計算轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)向并進行濾波處理，求出平滑后的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率，處理完畢bPro清零。這樣將計算轉(zhuǎn)速、判斷轉(zhuǎn)向和濾波的工作交給主程序完成，降低中斷程序的負擔(dān)。為了重新測速，在記錄A相脈沖數(shù)計數(shù)器mp、判向計數(shù)器Dr的值之后，mp、Dr應(yīng)清零。采用標(biāo)志位bST來識別是否需要記錄脈沖的初值。當(dāng)測速周期開始時，bST=“1”，在此條件下檢測到A相真實脈沖下降沿，則記錄CAP1.0捕獲的計時值(用寄存器Tn0保存)作為測速脈沖開始時刻，同時bST復(fù)位，進入正常脈沖計數(shù)過程。在正常脈沖計數(shù)過程中，CAP1.0不斷捕獲A相信號邊緣的計時值，但只有真實脈沖的下降沿所捕獲的計時值才用寄存器Tn保存下來，同時對A相信號的真實脈沖個數(shù)進行計數(shù)，保存于計數(shù)器mp中；檢測A相超前于B相的周期數(shù)并保存于判向計數(shù)器Dr中。到測速周期結(jié)束時，Tn保存的值就是真實脈沖計時的終值，此值減去初值Tn0，得到mp的真實脈沖的計時長度Tn(即Tn←Tn-Tn0)。中斷程序和主程序的流程圖分別如圖5、6所示。

圖4 抗振動測速判向時序圖

4.3 測速范圍的適用性

本系統(tǒng)使用槽數(shù)為500的光電編碼器，32位脈沖計數(shù)器，在0.1s測速周期內(nèi)能檢測到的最低轉(zhuǎn)速為

圖5 中斷程序流程圖

經(jīng)過測算，在CPU頻率為44.2368MHz的情況下，定時器中斷程序在一個測速周期內(nèi)的平均執(zhí)行時間不超過3!s(考慮執(zhí)行中斷延時)，如果系統(tǒng)在一個測速周期內(nèi)20%的時間執(zhí)行中斷程序，并且電機高速時運行平穩(wěn)，光電編碼器的干擾脈沖極少，在不考慮干擾的情況下，一個脈沖產(chǎn)生兩次中斷，則最高轉(zhuǎn)速可達

圖6 主程序流程圖

可見，本程序能夠滿足系統(tǒng)測速范圍的要求。

5 測試結(jié)果及分析

測速系統(tǒng)的測試曲線如圖7所示，其中(a)(b)分別是使用非抗振動程序和抗振動程序測量結(jié)果 (設(shè)定轉(zhuǎn)速為 5.6r/min)，(c)為電機由靜止加速到1200r/min的過程曲線，1為測速系統(tǒng)初始測速曲線，2為經(jīng)濾波處理之后的轉(zhuǎn)速曲線，3為轉(zhuǎn)速變化率曲線。

(1)在低速轉(zhuǎn)軸振動條件下(設(shè)定轉(zhuǎn)速為5.6r/min)，采用非抗振動測速程序測量結(jié)果為17.1r/min，結(jié)果遠遠偏離設(shè)定值，且測向不穩(wěn)；采用抗振動測速程序測量結(jié)果為5.65r/min，非常接近設(shè)定轉(zhuǎn)速，同時測向準(zhǔn)確，可見采用抗振動程序測速是有效的。

(2)由圖(a)和圖(b)可見，經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)速曲線較為平滑，使用最佳二階濾波器取得較好效果。

(3)圖(c)分為兩段，第一段電動機在40個測速周期內(nèi)將轉(zhuǎn)速由靜止加速到800r/min，轉(zhuǎn)速變化率為200r/min/s，與實測結(jié)果基本相符；第二段在25個測速周期內(nèi)將電動機加速到1200r/min，轉(zhuǎn)速變化率為160r/min/s，與實測結(jié)果基本相符。

(4)最佳二階濾波器具有較好的快速性。

6 結(jié)束語

本文在提出一種光電編碼器的抗振動測速和判向方法的基礎(chǔ)上，研制以32位嵌入式處理器(LPC2114)為控制器的精確測速系統(tǒng)。由于ARM7處理器LPC2114具有豐富的片內(nèi)資源，在用戶系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計中都顯示出較好的靈活性和簡便性。同時，32位數(shù)據(jù)寬度和流水線設(shè)計帶來測量的高精度和程序運行的快速性，給測控系統(tǒng)提供了新的活力和用途。本系統(tǒng)設(shè)計已應(yīng)用于海船螺旋槳直流發(fā)電機模擬裝置中，證實在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率測量方面具有較高的精度，滿足該裝置的技術(shù)要求，取得了較好的實用效果。

圖7 測速系統(tǒng)的測試曲線圖

[1]宋剛等.基于普通編碼器的高精度測速方法[D].上海交通大學(xué)學(xué)報，2002，8:1169 ～1172

[2]周立功，編著.ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005

[3]沈建華，譯.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)-軟件設(shè)計與優(yōu)化[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005