基于CPLD和ARM控制器的频率测量电路的制作方法

本实用新型涉及一种基于CPLD和ARM控制器的频率测量电路，属于水轮机调速器频率测量技术领域。

背景技术：

水轮机调速器是水力发电厂的核心设备，承担着调节水轮机转速及控制出力的重要任务，而水轮机的转速直接决定水轮发电机组的运行品质，是机组并网的重要参考量，因此调速器能否准确快速的测量频率就显得尤为关键。目前，我国大部分水轮机调速器都采用进口PLC或PCC作为控制器，进口PLC测频功能主要靠高速计数模块来实现，目前主流PLC的高速计数通道最高只支持1MHz以下，分辨率最高仅能达到0.0025Hz，影响的调速器的测量精度，同时高速计数模块需要提供外部基准晶振电路，测量电路较复杂且外部高频信号易受干扰，影响可靠性。 PCC装置采用内部高速计数器，测频比较方便，通道数也较多，但底层数据处理软件由厂家配置好，一般不能更改，数据处理受限。同时，采用进口控制器存在严重依赖进口，核心技术受制于人，并且价格昂贵，服务不够及时等问题。随着电站自动化水平及电网对机组性能要求的提高，要求频率测量精度高、响应速度快、通道多、数据通讯方便的测频设备，以满足对水轮发电机组的更高要求。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于CPLD和ARM控制器的频率测量电路。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

基于CPLD和ARM控制器的频率测量电路，包括多路被测脉冲信号接收电路、有源晶振、CPLD和ARM；所有被测脉冲信号接收电路以及有源晶振均与CPLD连接，所述CPLD与ARM连接，所述被测脉冲信号接收电路包括依次连接的光耦隔离电路和滤波整形电路，所述光耦隔离电路外接被测脉冲信号，所述滤波整形电路与CPLD连接。

所述CPLD包括依次连接的分频电路、测频电路和锁存电路，所述分频电路分别与有源晶振和滤波整形电路连接，所述锁存电路与ARM连接。

还包括第一CAN通讯电路、第二CAN通讯电路和看门狗电路，所述第一CAN通讯电路、第二CAN通讯电路和看门狗电路均与ARM连接。

还包括地址识别电路，所述地址识别电路与ARM连接。

还包括状态输出电路，所述状态输出电路与ARM连接。

状态输出电路采用LED进行显示。

本实用新型所达到的有益效果：本实用新型采用单片机ARM和CPLD结合进行测频，综合了两者的优点，用于是大型水轮机调速器的频率及转速测量，频率测量基准时钟信号高达5MHz，具备多路独立测量通道，额定转速下测得的周期个数可达10万个，计数频率的分辨率为0.0005Hz，远远超过调速器相关行业和国家标准不低于0.0025 Hz的要求；满足机组频率测量分辨率及精度高、实时性强、通道数量多、可靠性高等要求；克服了进口PLC或PCC测频精度低、软硬件受制于人、价格昂贵的问题，为大型机组调速器测控装置的转速测量提供了坚实基础。

附图说明

图1为本实用新型电路的结构框图。

图2为被测脉冲信号接收电路图。

图3为分频电路图。

图4为测频电路图。

图5为锁存电路图。

图6为看门狗电路图。

图7为CAN通讯电路图。

图8为地址识别电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，基于CPLD和ARM控制器的频率测量电路，主要实现多路（一般为四路）频率信号（频率信号均为脉冲信号）的采集、两路CAN网通讯、地址信号采集以及运行状态输出等功能，包括四路被测脉冲信号接收电路、有源晶振、CPLD、ARM、第一CAN通讯电路、第二CAN通讯电路、看门狗电路、地址识别电路和状态输出电路；所有被测脉冲信号接收电路以及有源晶振均与CPLD连接，CPLD与ARM连接，第一CAN通讯电路、第二CAN通讯电路、看门狗电路、地址识别电路和状态输出电路均与ARM连接。

被测脉冲信号接收电路如图2所示，包括依次连接的光耦隔离电路和滤波整形电路，光耦隔离电路外接被测脉冲信号，滤波整形电路与CPLD连接。

CPLD包括依次连接的分频电路、测频电路和锁存电路，具体如图3、4和5所示，这里的分频电路为四分频电路，分频电路分别与有源晶振和滤波整形电路连接，锁存电路与ARM连接。有源晶振为20MHz有源晶振，四分频电路产生5MHz的时钟信号作为计数器的基准时钟信号，测频电路计算出被测信号一个周期内的计数值，输出到锁存电路，锁存电路将四路频率的周期计数值分别进行锁存，由ARM定时产生片选信号来读取，设计定时间隔为10ms。因ARM采用Philips飞利浦公司LPC2119，LPC2119的GPIO数量限制，针对每一路的计数值分两次读取，先读取高16位，再读取低16位。

LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，具有128k字节片内Flash 程序存储器与16K字节静态RAM；具有两个32位定时器；两路CAN接口，带有先进的验收滤波器；具有多个串行接口，包含UART、IIC与SPI；采用LQFP64封装结构，最多可使用46个GPIO。

看门狗电路如图6所示，看门狗电路为复位监控电路，一旦ARM运行出现故障，就强制对ARM进行硬件复位，使整个系统重新处于可控状态。看门狗电路中采用复位监控芯片SP706，系统上电时，SP706S自动产生200ms低电平复位信号，使ARM正常复位。ARM配置一个I/O管脚为输出，并接到看门狗电路输入端。ARM在正常工作情况下必须在程序里及时不断反转I/O的状态，该操作被形象地称为“喂狗”。每次反转看门狗电路输入端输入状态都能够清除SP706S内部的看门狗定时器，从而确保看门狗电路输出端不会输出低电平（为保证可靠，喂狗间隔应当小于1s）。

第一CAN通讯电路和第二CAN通讯电路如图7所示，以CAN控制器PCA82C250为核心，并采用高速光电耦合器HCPL-0601对收发端的信号进行隔离，防止信号干扰，提高数据传输的可靠性。

本电路模件属于南瑞集团公司的MB40系列PLC专用模件，与MB40PLC电源模件、主控模件组合在专业底板上才能工作，因此需要设置地址识别电路，地址识别电路主要用于PLC主控制模件对本电路模件位置的识别，便于实现对4路频率信号的数据采集，具体如图8所示，模件地址由两部分组成：插箱地址（4bit）与插槽地址（4bit），其中插箱地址为拨码开关，在电路中为SW1～SW4编码，插槽地址为固定地址编号1～10，电路中为MX1～MX4编码，其组合形成模件地址，例如当电路板插在插箱第5槽位时，MX1～MX4编码为0101，即MX1、MX3为ON，其他为OFF。

状态输出电路采用LED进行显示。

上述电路可实现四通道高精度频率实时测量，其中CPLD接收外部输入的脉冲信号，并利用其精确、高速的特点，利用晶振产生的高频率基准脉冲对信号进行采集计数，而ARM处理器则负责处理CPLD单元采集的计数值，计算得出信号频率，同时ARM处理器负责数据处理、滤波、信号故障判断、通讯等功能。

本实用新型采用单片机ARM和CPLD结合进行测频，综合了两者的优点，用于是大型水轮机调速器的频率及转速测量，满足机组频率测量分辨率及精度高、实时性强、通道数量多（四路及以上）、可靠性高等要求；克服了进口PLC或PCC测频精度低、软硬件受制于人、价格昂贵的问题，为大型机组调速器测控装置的转速测量提供了坚实基础。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。