专利名称：基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法
技术领域：
本发明属于电气化铁路牵引自动化及电力系统变电站自动化领域，尤其是一种基 于eTPU(增强型时序处理单元——enchanced Time ProcessorUnit)的交流信号自动同步 采样和频率测量方法。
背景技术：
在电气化铁路牵引自动化系统及电力系统变电站综合自动化系统，为了实现对相 关电力设备正常的控制和监测，需要对各种交流电压、电流信号进行准确测量，并且当上述 信号的频率发生变化时，能够实时调整采样频率，来实现对上述信号的自动同步采样。对于交流信号自动同步采样和频率测量，一般方式为首先将交流信号转换为方 波信号，利用微控制器的定时器对该信号进行周期测量，并计算出频率，然后根据测量到的 频率值，通过软件方式来控制AD采样芯片的频率，实现自动同步采样。上述方法，交流信号 的频率测量及同步采样的精度受微控制器的定时器精度限值，并需要较严格的软硬件配合 工作实现，因此测量精度和实时性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其 工作方法，它可以克服现有技术的不足，利用MCF523X中eTPU的GPIO和PWM功能，实现对 交流信号的自动同步采样和频率测量，是一种实时性好，精度高，资源消耗小，便于在嵌入 式系统中实现的系统，其工作方法简单易操作。本发明的技术方案一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征 在于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压 基准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和 AD转换模块的输入端连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转 化模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基 准单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。上述所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的 AD7656-1芯片组成；每个芯片的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元 的输出端连接，其输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与 微控制器单元呈双向连接。上述所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的 freescal公司MCF523x系列芯片；所说的eTPU功能模块包括通道1和通道2，其中，所说 的通道2与AD转换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波 转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片 AD7656-1芯片呈双向连接。
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上述所说的MCF523X系列芯片可以是MCF5234芯片，其工作总线频率为75MHz， eTPU模块的定时器工作基准频率为9. 375MHz,即对微控制器总线频率进行8分频，此时交 流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内 实现32次采样，采样频率为1. 6kHz。一种上述基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在 于它包括以下步骤①对eTPU模块的功能进行初始化首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中 断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用 寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步 骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断； 此时如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值， 并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫 秒，占空比固定为20%，启动eTPU模块功能，开始采样工作；④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/ 方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模 块的通道1 ；⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模 块中两片并行工作芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换模块的启动 采样转换输入端，AD芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换；⑥当AD转换模块中芯片完成采样转换后，给微控制器单元产生中断信号，微控制 器在中断处理函数中完成采样数据的读取操作；⑦eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间， 计算出信号的频率值；⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中芯片的启动采样转 换的时间要求，设定占空比固定为20%，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能 模块操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当 前的实际测量频率；⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器会通过产品自带的软件方式创建并启动 一个采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道一连续1秒钟没有捕捉输入 方波信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流信号的采样。上述所说的步骤中⑧所提及到的有效频率值是指在交流电压、电流信号的频率正 常为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz 56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率 测量无效。本发明的工作原理本发明中微控制器采用具备eTPU功能模块的freescal公司 MCF523X系列产品。外部电压、电流交流信号首先经过低通滤波处理，其中一路电压信号送到交流正弦波/方波转换模块以转换为方波信号，该方波信号送给微控制器的eTPU模块的 通道1，eTPU通道1捕捉到输入方波信号上升沿或下降沿的跳变时，会产生中断，在中断处 理函数中完成对方波信号的周期时间测量，然后转换为频率值。并根据当前测量到的频率 值，实时调整eTPU通道2的PWM输出周期，当交流电压、电流信号的频率正常为50Hz，有效 测量范围为44Hz 56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为本次频率测量无效，不再调 整PWM输出周期，直到测量到的频率值位于上述有效范围内，才重新调整PWM周期，进而控 制AD的采样频率，最终控制AD芯片的采样频率，为了实现AD采集，需要提供+12V、-12V电 压基准给AD7656-1。交流正弦波/方波转换采用过零比较器原理实现。经过低通滤波的所有交流电压、电流信号送给AD转换模块完成AD采集，电压基准 模块为AD转换模块提供采样基准电压。采集完成后AD转换模块触发中断信号，通知微控 制器读取转换完的数据。根据测量到的频率值，通过eTPU模块的PWM通道控制AD转换模 块的转换频率，以实现交流信号的自动跟踪采样。根据Freescal公司提供eTPU的通道1和通道2分别作为GPIO、PWM模块软件控 制接口，完成eTPU模块的GPIO输入捕捉、PWM输出功能配置和交流信号自动同步采样控制， 并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断，实现交流信号的频率测量，。当产生GPIO捕获 中断时，进入GPIO中断处理函数，在中断处理函数中实现频率测量和采样控制操作。且为 保证交流信号的频率值测量的准确性和可靠性，每次测量到的频率值，与最近上两次测量 到的值进行排序，用中间值作为当前的实际测量频率。在频率测量输入信号丢失的情况下，为保证对交流电压、电流信号的正常采样，在 采样监视任务中增加对频率测量功能的监视，当连续1秒钟eTPU通道1没有捕捉到输入方 波信号上升沿或下降沿跳变时，默认为当前交流信号的频率值为50Hz，并以此值为基础调 整eTPU通道2的PWM信号的输出周期，按照50Hz频率对交流电压、电流信号进行采样。本发明的优越性在于①充分利用了 MCF523X微控制器的eTPU模块的灵活功能， 减少了对MCF523X微控制器其它硬件资源的消耗；②由eTPU模块自动完成频率信号的捕 捉和PWM信号的输出功能，不需要MCF523X的干预，从而降低了 MCF523x对上述功能的负面 影响，保证了可靠性，并降低了 MCF523X微控制器的负荷；③除了频率测量异常监视外，其 它软件功能全部在中断中完成，不会被应用软件打断，并且具有很高的优先等级，从而保证 了交流信号频率测量和自动同步采样功能可靠性、实时性和稳定性；④eTPU模块的GPIO和 PWM功能实现全部采用微码实现，可以保证交流信号频率值的测量精度和PWM输出信号的 精确性，保证了交流信号频率测量和自动同步采样的精确性；⑤eTPU模块可以保证，只有 当前PWM信号完全输出后才按照新的设定参数开始输出，保证了交流信号自动同步采样的 连续性和完整性；⑥本发明针对交流信号频率超限、频率测量信号丢失等异常情况，采取了 必要的处理措施，可以保证在上述异常情况下能够继续基本的采样和处理功能。
图1为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法 的硬件结构示意图。图2为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法 的具体实现硬件示意图。
图3为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法 的eTPU模块软件初始化流程示意图。图4为本发明所涉基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法 的eTPU模块频率测量及同步采样中断处理流程示意图。
具体实施例方式实施例一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置(见图1)，其特征在 于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基 准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和AD 转换模块的输入端连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化 模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准 单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。上述所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的 AD7656-1芯片组成完成12路交流电压、电流信号的采集，每个芯片(见图2)为6路同步采 样16位SAR(逐次逼近)型ADC，它与微控制器的数据线宽度为16位，其的输入端均与微控 制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，其输出端均与微控制器单元的输 入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈双向连接。上述所说的微控制器单元(见图2)采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线 的freescal公司Coldfire系列的MCF5234芯片；所说的eTPU功能模块共有16个独立通 道，其中，所说的通道2与AD转换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正 弦波/方波转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模 块的两片AD7656-1芯片呈双向连接。上述所说的MCF523X系列芯片可以是MCF5234芯片(见图2)，其工作总线频率为 75MHz, eTPU模块的定时器工作基准频率为9. 375MHz，即对微控制器总线频率进行8分频， 此时交流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整 周期内实现32次采样，采样频率为1.6kHz。一种上述基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法(见图3、图 4)，其特征在于它包括以下步骤①对eTPU模块的功能进行初始化首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中 断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用 寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步 骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断； 此时如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值， 并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫 秒，占空比固定为20%，启动eTPU模块功能，开始采样工作；④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/ 方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的通道1 ；⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模 块中两片并行工作的AD7656-1芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换 模块的启动采样转换输入端，AD7656-1芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采 样转换，转换时间为3微秒；⑥当AD转换模块中芯片转换完成后向MCF5234微控制器触发中断，MCF5234芯片 则在检测到中断信号后，在中断处理函数读取AD7656-1中转换完成的采样数据；⑦eTPU模块的通道1对方波信号的捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间，计 算出信号的频率值；⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中芯片的启动采样转 换的时间要求，设定占空比固定为20%，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能 模块操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当 前的实际测量频率；此时，若eTPU模块的基本定时器工作频率值9. 375MHz，则可计算捕获 到的脉冲信号的周期和频率，周期值计算公式为t = χ/9. 375*106t 脉冲信号周期值，单位为秒。χ 通过eTPU通道一获取的脉冲有效计数值。⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器会通过产品自带的软件方式创建并启动 一个采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道一连续1秒钟没有捕捉输入 方波信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流信号的采样。上述所说的步骤⑧中所提及到的有效频率值是指在交流电压、电流信号的频率正 常为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz 56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率 测量无效。采用本实例设计的产品，经过测试，交流信号频率值测量精度误差< 0.01Hz，电 压、电流信号的同步采样精度误差<0. 1%。
权利要求
1.一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于它包括微控制器 单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其中，所说 的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和AD转换模块的输入端 连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化模块的输入端与低 通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准单元的电压信号；所 说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。
2.根据权利要求1所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征 在于所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的AD7656-1芯片组 成；每个芯片的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，其 输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈 双向连接。
3.根据权利要求1所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特 征在于所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的freescal公司 MCF523X系列芯片；所说的eTPU功能模块包括通道1和通道2，其中，所说的通道2与AD转 换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波转化模块的输出端 连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片呈双 向连接。
4.根据权利要求3所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征 在于所说的MCF523X系列芯片可以是MCF52!M芯片，其工作总线频率为75MHz，eTPU模块的 定时器工作基准频率为9. 375MHz,即对微控制器总线频率进行8分频，此时交流电压、电流 信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内实现32次采 样，采样频率为1.6kHz。
5.一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在于它包 括以下步骤①对eTPU模块的功能进行初始化首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中断产 生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用寄存 器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步骤① 中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断；此时 如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值，并根 据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫秒，占 空比固定为20 %，启动eTPU模块功能，开始采样工作；④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/方波 转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的 通道1 ；⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模块中 两片并行工作芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换模块的启动采样 转换输入端，AD芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换；⑥当AD转换模块中芯片完成采样转换后，给微控制器单元产生中断信号，微控制器在 中断处理函数中完成采样数据的读取操作；⑦eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，根据捕捉到的脉冲信号的周期时间，计算 出信号的频率值；⑧每次频率值计算有效后，根据该频率值，根据AD转换模块中芯片的启动采样转换的 时间要求，设定占空比固定为20 %，通过Freescal公司提供eTPU的PWM模块软件功能模块 操作接口完成对eTPU通道2的PWM的周期值的调整；⑨将每次测量到的频率值，与最近上两次测量到的值进行排序，用中间值作为当前的 实际测量频率；⑩为了保证采样功能的可靠性，微控制器会通过产品自带的软件方式创建并启动一个 采样监视任务，完成频率测量功能的监视，如果eTPU通道一连续1秒钟没有捕捉输入方波 信号的边沿变化时，则认为当前频率为50Hz频率，并按照此频率值控制交流信号的采样。
6.根据权利要求5所说的一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作 方法，其特征在于所说的步骤中⑧中的有效频率值是指在交流电压、电流信号的频率正常 为50Hz时，定义有效测量范围为44Hz 56Hz，当测量到的频率超出上述范围，认为频率测 量无效。
全文摘要
一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其工作方法对eTPU模块的功能进行初始化；设置模块的通道1为GPIO功能的输入捕捉方式；设置模块的通道2为PWM输出方式，开始采样工作；采集需要进行频率测量的交流电压信号，并进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给eTPU模块的通道1；AD转换模块中芯片完成采样转换；eTPU模块的通道1对方波信号进行捕捉，计算出信号的频率值；对eTPU通道2的PWM的周期值调整；用中间值作为当前的实际测量频率；频率测量功能的监视。本发明是一种实时性好，精度高，资源消耗小，便于在嵌入式系统中实现的系统，其工作方法简单易操作。
文档编号G01R23/02GK102116796SQ20101058402
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张志刚, 曾庆钊, 李政, 赵宪文, 闫兆辉 申请人:天津凯发电气股份有限公司