基于ARM7的精確測速系統設計＊

廣州航海高等?？茖W校（廣州510725) 李 漢

1 前言

螺旋槳的直流發電機模擬裝置如圖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電機，RL為發電機的負載，B為變速器。為了利用直流發電機模擬海船螺旋槳，發電機應提供的阻轉矩為：

式中 n為推進電動機的轉速 (r/min)，GD2為模擬螺旋槳及傳動部件的飛輪矩，為發電機及傳動部件的飛輪矩，K為槳矩常數。由此可見，為了準確調節推進電動機的阻轉矩，要求在一定的時間內精確測量出推進電機的轉速及轉速變化率。

指標如下：測速范圍：3～1500r/min；測速周期：100ms；測速精度：±0.5%；最大轉速變化率：±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確地測量轉速，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 Vu≠Vd時，判定本次脈沖為真實脈沖；

當 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，而忽略干擾脈沖，這樣在傳動軸出現振動的情況下，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

設定測速周期為 Tc，系統接收到脈沖之后，識別出A相的干擾脈沖，從而決定是否對脈沖進行計數或作為計時開始/結束時刻。測速系統從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，則測速計數器mp加1，如果輸入為干擾脈沖，則測速計數器保持原值不變，直到計時時間到，記錄測速計數器的脈沖數 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，由此計算出轉速 n。假設計時時鐘頻率為 fc(MHz)，則

2.3 判斷轉向

在傳動軸有振動的情況下，采用如下的方法判定轉向：設置判向計數器 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 Vd=“1”時，Dr加 1，當 Vd=“0”時，Dr減 1，在一個測速周期 Tc內

Dr＞ 0，則判為正轉；

Dr ＜0，則判為反轉。

判向計數器 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記錄A相信號超前于B相信號的脈沖次數來判斷轉向，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 濾波與轉速變化率的求取

測量轉速之后，為了平滑并求取轉速變化率，使用最優二階濾波器。輸入為初次測速 r，輸出為轉速 n和轉速變化率n˙，則濾波器的狀態方程為

3 硬件設計

本系統采用PHILIPS公司生產的基于ARM7TDMI-S內核的32位嵌入式處理器LPC2114，該處理器具有豐富的片內資源，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轉換器、多路中斷系統和數量較大的GPIO，給用戶系統設計帶來較大方便。測速系統硬件電路如圖3所示，由信號輸入電路、按鍵和LED顯示電路、復位和電源等部分組成。

圖3 測速系統硬件電路圖

3.1 測速信號輸入電路

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

3.2 按鍵和LED顯示電路

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

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

3.3 電源與復位電路

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。使用三端穩壓電路7805、LM11173-3.3和 LM11173-1.8可提供系統所需的電源。為了提高系統的可靠性，復位電路使用專用芯片SP708S。SP708S同時向LPC2114和ZLG7290提供復位信號。

4 軟件設計

4.1 端口配置

LPC2114內部具有兩個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，測速系統需要在A相信號下降沿和上升沿時刻能夠產生中斷并且捕獲該時刻的定時值，因此 P0.10 設置為 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設置為GPIO，方向設置為I。定時器C語言初始化程序如下：

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

測速系統的三個發光二極管由端口 P0.4、P0.5、P0.6 控制，故P0.4、P0.5、P0.6 應設置為 GPIO，方向為 O。

系統所用宏定義如下：

初始化程序如下：

4.2 測速和判斷轉向

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產生，MR0配置為匹配時中斷并且復位，因此，定時器TC的值在0～110591之間循環，每次循環產生一次中斷。中斷時記錄編碼器A相信號真實脈沖計數器mp的值、判向計數器Dr的值、mp個真實脈沖的計時長度Tn，由這些數據可計算出轉速和判斷轉向。在中斷程序中計算轉速、判斷轉向和濾波會導致中斷程序執行時間過長，為了避免這種情況，使用聯絡標志位bPro。當測速周期結束時 bPro=“1”，主程序檢測到 bPro為“1”則由 mp、Dr、Tn 計算轉速、判斷轉向并進行濾波處理，求出平滑后的轉速和轉速變化率，處理完畢bPro清零。這樣將計算轉速、判斷轉向和濾波的工作交給主程序完成，降低中斷程序的負擔。為了重新測速，在記錄A相脈沖數計數器mp、判向計數器Dr的值之后，mp、Dr應清零。采用標志位bST來識別是否需要記錄脈沖的初值。當測速周期開始時，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復位，進入正常脈沖計數過程。在正常脈沖計數過程中，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進行計數，保存于計數器mp中；檢測A相超前于B相的周期數并保存于判向計數器Dr中。到測速周期結束時，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

本系統使用槽數為500的光電編碼器，32位脈沖計數器，在0.1s測速周期內能檢測到的最低轉速為

圖5 中斷程序流程圖

經過測算，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的平均執行時間不超過3!s(考慮執行中斷延時)，如果系統在一個測速周期內20%的時間執行中斷程序，并且電機高速時運行平穩，光電編碼器的干擾脈沖極少，在不考慮干擾的情況下，一個脈沖產生兩次中斷，則最高轉速可達

圖6 主程序流程圖

可見，本程序能夠滿足系統測速范圍的要求。

5 測試結果及分析

測速系統的測試曲線如圖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果 (設定轉速為 5.6r/min)，(c)為電機由靜止加速到1200r/min的過程曲線，1為測速系統初始測速曲線，2為經濾波處理之后的轉速曲線，3為轉速變化率曲線。

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

(2)由圖(a)和圖(b)可見，經濾波后轉速曲線較為平滑，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個測速周期內將轉速由靜止加速到800r/min，轉速變化率為200r/min/s，與實測結果基本相符；第二段在25個測速周期內將電動機加速到1200r/min，轉速變化率為160r/min/s，與實測結果基本相符。

(4)最佳二階濾波器具有較好的快速性。

6 結束語

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上，研制以32位嵌入式處理器(LPC2114)為控制器的精確測速系統。由于ARM7處理器LPC2114具有豐富的片內資源，在用戶系統的硬件和軟件設計中都顯示出較好的靈活性和簡便性。同時，32位數據寬度和流水線設計帶來測量的高精度和程序運行的快速性，給測控系統提供了新的活力和用途。本系統設計已應用于海船螺旋槳直流發電機模擬裝置中，證實在轉速和轉速變化率測量方面具有較高的精度，滿足該裝置的技術要求，取得了較好的實用效果。

圖7 測速系統的測試曲線圖

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

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

[3]沈建華，譯.ARM嵌入式系統開發-軟件設計與優化[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005