主從同步定時(shí)模式的轉(zhuǎn)速變M/T法測(cè)量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許景波 殷憲宇 崔曉萌 劉智良 李兆 李軍 陳好書

摘?要：針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速測(cè)量問題，根據(jù)變M/T法原理，提出了一種主從同步定時(shí)模式的轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)了處理器內(nèi)部?jī)啥〞r(shí)器同步計(jì)數(shù)協(xié)同工作方式，以及外部觸發(fā)脈沖生成電路，由外部觸發(fā)能夠同時(shí)啟動(dòng)兩定時(shí)器計(jì)數(shù)，并由主定時(shí)器在計(jì)數(shù)達(dá)到的條件下停止從定時(shí)器，兩計(jì)數(shù)值同步對(duì)應(yīng)。結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速，可以動(dòng)態(tài)設(shè)定主定時(shí)器計(jì)數(shù)條件，使本方法適合高、低轉(zhuǎn)速測(cè)量應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法相對(duì)測(cè)量誤差小于0.2‰、覆蓋5～20000r/min的高低轉(zhuǎn)速范圍，并且軟件處理簡(jiǎn)捷，易于實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量; 變M/T法; 同步定時(shí)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.023

中圖分類號(hào)： TN98

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）06-0128-05

Abstract：A master-slave synchronous timing mode implementation method of revolving speed measurement is put forward based on different M/T aimed at the rotating machinery in this paper.?The MCU is set to make two timers synchronously count and cooperatively work?and the external trigger pulse generating circuit is designed.?The external trigger can start the two timers at the same time?and the master timer can stop the slave timer under the condition of counting terminate that makes the two timers achieve synchronization.?The counting value of master timer can be dynamically set according to the current speed?which makes this method suitable for high speed and low speed measurement applications.?Experimental results show that the relative measurement error of this method is less than 0.2‰?has wide measurement range of 5r/min～20000r/min?and the processing routine is simple?easy to implement.

Keywords：revolving speed measurement; different M/T methods; synchronously timing

0?引?言

轉(zhuǎn)速是一種常見的機(jī)械量，它是指做圓周運(yùn)動(dòng)的物體單位時(shí)間內(nèi)沿圓周繞圓心轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。對(duì)于絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要參量，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，分析設(shè)備的工作情況，所以轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量通常采用旋轉(zhuǎn)軸安裝齒盤，通過(guò)磁電或光電傳感器測(cè)脈沖的方式實(shí)現(xiàn)[1-3]。常用的方法主要有M法，T法，M/T法以及變M/T法。M法又稱測(cè)頻法，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)誤差較大，適合高速測(cè)量;T法又稱測(cè)周法，在高轉(zhuǎn)速時(shí)有較大誤差，適合低速測(cè)量;M/T法是兩種方法的結(jié)合，適合于高低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合，但仍有截?cái)嗾`差，實(shí)時(shí)性較差，精度難以控制[4-5]。變M/T法是對(duì)M/T法的一種改進(jìn)，克服了M/T法的缺點(diǎn)，是測(cè)速系統(tǒng)中常采用的一種方法[6-7]。傳統(tǒng)的測(cè)速方法中，一般采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖和高頻時(shí)基脈沖分別計(jì)數(shù)加以實(shí)現(xiàn)，要提高測(cè)量精度關(guān)鍵在于計(jì)數(shù)的同步，計(jì)數(shù)不同步往往給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大誤差。然而兩計(jì)數(shù)器難于嚴(yán)格同步，要做到同步計(jì)數(shù)需要增加復(fù)雜的同步時(shí)序電路，系統(tǒng)環(huán)節(jié)增多，存在延遲誤差，可靠性也變差。

本文依據(jù)變M/T法的原理，提出了一種由外部信號(hào)觸發(fā)主從同步定時(shí)模式的轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)計(jì)數(shù)器的嚴(yán)格同步，從而提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1?M/T法測(cè)速方法及改進(jìn)

1.1?M/T法測(cè)速基本方法

M/T法是指在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間Td內(nèi)同時(shí)開始對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖和高頻時(shí)基脈沖計(jì)數(shù)，然后用Td以后的第一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖去終止高頻時(shí)基脈沖計(jì)數(shù)器，從Td結(jié)束到高頻脈沖停止的時(shí)間為ΔT，所以，高頻脈沖總計(jì)數(shù)時(shí)間T=Td+ΔT[8]，如圖1所示。

假設(shè)高頻時(shí)基脈沖頻率為fc，所測(cè)得的高頻脈沖個(gè)數(shù)為M2，則有：

如果每周轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)為p，在T時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)值為M1，則可得被測(cè)轉(zhuǎn)速為：

M/T法雖然適用于高、低轉(zhuǎn)速的測(cè)速系統(tǒng)，但由于采樣時(shí)間Td是固定的，Td的選取往往不能兼顧高速和低速兩種情況。如果Td設(shè)定時(shí)間較短，那么在低速情況下可能不能得到完整的轉(zhuǎn)速脈沖;如果Td設(shè)定時(shí)間較長(zhǎng)，那么高速時(shí)轉(zhuǎn)速的變化將不能得到及時(shí)的響應(yīng)[9-14]。所以可以看出固定的采樣時(shí)間Td是不合適的。

1.2?變M/T法測(cè)速方法

變M/T法與M/T法相似，但該方法不需要設(shè)定一個(gè)固定的測(cè)速時(shí)間，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低設(shè)定不同的測(cè)速脈沖個(gè)數(shù)M1，這也保證了M1始終是一個(gè)整數(shù)。具體過(guò)程如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖和高頻時(shí)基脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的個(gè)數(shù)達(dá)到M1時(shí)，停止對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù)，并讀取相應(yīng)個(gè)數(shù)M2。此時(shí)的M2與M/T法中的M2含義不同，它是指與M1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的高頻脈沖個(gè)數(shù)。

由設(shè)定的M1和測(cè)得到的M2，仍依據(jù)式2計(jì)算轉(zhuǎn)速。 變M/T法與M/T法的不同在于它可以根據(jù)轉(zhuǎn)速情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整M1的數(shù)值，對(duì)于高轉(zhuǎn)速情況M1可取大一些，對(duì)于低轉(zhuǎn)速情況M1可取小一些，這樣來(lái)適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速測(cè)量情況，通過(guò)M1的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期的設(shè)定，處理也比較方便。

2?測(cè)速功能實(shí)現(xiàn)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1?M/T法的主從同步定時(shí)模式設(shè)計(jì)原理

從上述可以看出在變M/T法的實(shí)現(xiàn)中，關(guān)鍵在于兩個(gè)問題，一是保障M1和M2計(jì)數(shù)的同時(shí)啟動(dòng)和停止，二是根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)地調(diào)整M1的數(shù)值，以保證對(duì)高速、低速測(cè)量情況的適應(yīng)性[15-17]。

本文采用STM32F103作為處理器，它是Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM微控制器，非常適用于工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域。該處理器包括1個(gè)高級(jí)定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器，這些硬件條件保障了轉(zhuǎn)速測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)。

為了保障M1和M2計(jì)數(shù)的同步，采用“外部觸發(fā)+主從定時(shí)器同步模式”，STM32F103內(nèi)部的定時(shí)器可以連接在一起，用于定時(shí)器間的同步和鏈接。當(dāng)一個(gè)定時(shí)器配置為主模式時(shí)，它可以復(fù)位、啟動(dòng)和停止另一個(gè)配置在從模式下的定時(shí)器，如圖3所示，定時(shí)器1的輸出TRGO1可以提供給定時(shí)器2的觸發(fā)選擇輸入端，也即TRGO1可以控制定時(shí)器2的工作，這正為M1和M2的同時(shí)計(jì)數(shù)提供了條件。

這里以定時(shí)器1作為主定時(shí)器用于計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速脈沖M1，定時(shí)器2作為從定時(shí)器用于計(jì)數(shù)高頻時(shí)基脈沖M2。定時(shí)器1工作在外部信號(hào)觸發(fā)模式，并以外部脈沖作為時(shí)鐘源，由外部脈沖檢測(cè)電路生成觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)接入定時(shí)器1的TI1。其內(nèi)部采用向上計(jì)數(shù)比較模式，比較輸出OC1REF作為TRGO1連接至定時(shí)器2的觸發(fā)選擇輸入端;定時(shí)器2的從模式采用門控方式，其觸發(fā)選擇來(lái)自于定時(shí)器1的ITR0，也即OC1REF。整個(gè)工作時(shí)序示意圖如圖4所示。

這里設(shè)置定時(shí)器1的計(jì)數(shù)初始值TIM1-CNT為（65535-M1），比較寄存器TIM1-CCR1的值為（65535-M1+1）。當(dāng)TI1端輸入上升沿的觸發(fā)信號(hào)后，定時(shí)器1在外部脈沖源的作用下開始計(jì)數(shù)，這時(shí)TIM1-CNT值 TIM1-CCR1值，OC1REF輸出高電平，啟動(dòng)定時(shí)器2工作，這樣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)外部觸發(fā)同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1和定時(shí)器2。當(dāng)TIM1-CNT計(jì)數(shù)達(dá)到65535時(shí)，TIM1-CNT溢出并從0開始重新計(jì)數(shù)，這時(shí)OC1REF輸出低電平，停止了定時(shí)器2工作。由于定時(shí)器1溢出產(chǎn)生更新事件，所以在軟件中可以停止定時(shí)器1工作。定時(shí)器2是在定時(shí)器1計(jì)數(shù)了M1個(gè)脈沖后停止的，所以定時(shí)器2的計(jì)數(shù)值M2與M1個(gè)外部脈沖的啟停是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，由此可在定時(shí)器1更新事件產(chǎn)生的中斷服務(wù)程序中依據(jù)設(shè)定的M1和實(shí)際得到的定時(shí)器2計(jì)數(shù)值M2來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。

2.2?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于上述原理設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路如圖5所示，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦輸入，光耦起著抑制干擾、隔離的作用;輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)或門，接至STM32F103的TIM1_ETR輸入端，作為外部時(shí)鐘源，PD1作為使能信號(hào)通過(guò)或門可以控制測(cè)量信號(hào)的輸入，當(dāng)PD1=0時(shí)，轉(zhuǎn)速脈沖可以輸入至TIM1_ETR，當(dāng)PD1=1時(shí)，或門輸出始終為“1”，即屏蔽掉轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入;同時(shí)或門輸出接至一個(gè)D觸發(fā)器的CP端，D觸發(fā)器作為脈沖信號(hào)的起始檢測(cè)，其輸出觸發(fā)STM32F103內(nèi)部定時(shí)器工作。只要允許轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入，CP端的脈沖將使D觸發(fā)器輸出端Q=1，該端連接至TIM1_CH1，即可啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器工作，PC1作為一復(fù)位端，接至D觸發(fā)器R端，可以使Q端恢復(fù)至初始狀態(tài)Q=0。所以整個(gè)電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)的輸入控制，并從輸入的測(cè)量信號(hào)中有效分離出定時(shí)器的外部觸發(fā)信號(hào)。

2.3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

每次轉(zhuǎn)速的測(cè)量稱為一個(gè)測(cè)量周期，在測(cè)量開始前由軟件設(shè)置一些寄存器的初始值如向TIM1-CNT寫入（65535-M1），向TIM2-CNT寫入0等，然后令PC1=0，復(fù)位觸發(fā)信號(hào)，令PD1=0，允許轉(zhuǎn)速脈沖輸入，啟動(dòng)測(cè)量。測(cè)量周期的結(jié)束可以在定時(shí)器1的中斷程序中進(jìn)行處理，也可以查詢定時(shí)器1的更新事件標(biāo)志位。一個(gè)周期結(jié)束需停止定時(shí)器1工作，即TIM1-EN=0，并讀取TIM2-CNT的值計(jì)算M2。由于定時(shí)器2在計(jì)數(shù)中可能發(fā)生溢出，其設(shè)置成自動(dòng)重載工作方式，這樣在其溢出的情況下仍能夠正常計(jì)數(shù)，不會(huì)丟失脈沖，M2由下式計(jì)算：

式中：k為定時(shí)器2的中斷溢出次數(shù)，由它的中斷程序累加。在測(cè)量周期結(jié)束依據(jù)設(shè)定的M1和計(jì)算得出的M2根據(jù)公式2計(jì)算轉(zhuǎn)速。由此看出該方法軟件處理非常簡(jiǎn)便，M1和M2的計(jì)數(shù)嚴(yán)格地通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和定時(shí)器的工作模式所保障，這個(gè)過(guò)程不會(huì)因?yàn)檐浖闹袛嗉疤幚碛绊慚1和M2的計(jì)數(shù)。

從上述可以看出M1是作為一個(gè)設(shè)置值寫入到定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器中，對(duì)于M1的值應(yīng)根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)定?以保證高速和低速情況下測(cè)量周期基本一致。一般情況下，高速時(shí)M1的數(shù)值應(yīng)取大一些，低速時(shí)M1的數(shù)值應(yīng)取小一些[18]。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，轉(zhuǎn)速一般不會(huì)驟變[19-20]，所以可以依據(jù)上次測(cè)得的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)整下次測(cè)量中設(shè)定的M1，M1的確定可根據(jù)下式。

式中：INT為取整函數(shù)，n′為上一測(cè)量周期測(cè)得轉(zhuǎn)速，T測(cè)是指測(cè)量周期，p為每周脈沖數(shù)。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，基本上是一順序流程，如圖6所示。

3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

這里設(shè)定每周脈沖數(shù)為60，即p=60，在轉(zhuǎn)速為5～20000r/min的范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，這一范圍也基本涵蓋了低速、中速、高速的轉(zhuǎn)速范圍。fc即定時(shí)器2計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)STM32 F103內(nèi)部時(shí)鐘樹分頻得到，對(duì)于低頻轉(zhuǎn)速，fc設(shè)定為10kHz，對(duì)于高頻轉(zhuǎn)速，fc設(shè)定為100kHz。并且轉(zhuǎn)速測(cè)量程序根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速自動(dòng)完成M1的設(shè)定，測(cè)試結(jié)果如表1所示：

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該方法測(cè)量范圍寬，對(duì)低速和高速轉(zhuǎn)速都有極高的測(cè)量精度，最大相對(duì)誤差小于萬(wàn)分之二。M1的動(dòng)態(tài)設(shè)定也保障了對(duì)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速測(cè)量的適用性。

4?結(jié)?論

本文基于變M/T測(cè)速原理，提出了一種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，它充分利用了處理器內(nèi)部資源，設(shè)計(jì)了主從定時(shí)器同步工作模式，使定時(shí)器可由外部脈沖觸發(fā)，協(xié)同工作。整個(gè)實(shí)現(xiàn)方法測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。本方法主要依靠?jī)?nèi)部定時(shí)器資源，所需外部硬件較少，軟件處理也非常簡(jiǎn)單，具有實(shí)用意義。

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（編輯：王?萍）