基于ipc控制系统的实施高精度测频方法.

基于IPC控制系统的实时高精度测频方法
张予生1，王明武2，王永华2
（1郑州轻工业学院后勤保障处，河南郑州 450002
2郑州轻工业学院河南省信息化电器重点实验室，河南郑州 450002）
摘要：针对IPC控制系统中流量计高精度的实时测频问题，分析了PCI-1712L和KPCI-714的测频原理和实际测试结果；通过PLC高速计数功能完成了对流量计的测频，实现了实时流量的高精度测量；利用平均值滤波算法修正了误差，使得精度进一步提高。

该方法测到的频率精度达到0.4％, 采集速度为20次/秒。

关键词：IPC控制系统；流量计频率测定；PLC高速计数通道；PCI-1712L; KPCI-7414 中图分类号：TP274+.2 文献标识码：B
A real-time frequency measuring method with high accuracy based on IPC control system
Zhang Yusheng1,Wang Yonghua 2, Wang Mingwu 2
( 1 Dept. of Logistics, ZhengZhou university of light Industry, Zhengzhou 450002, Henan State
2 ZhengZhou university of light Industry. Key Laboratory of informational Electric Apparatus in Henan State,
Zhengzhou 450002)
Abstract: To solve real-time frequency measuring problem of flow meter with high accuracy in the IPC control system, analyzed the frequency measuring principium and actual results of PCI-1712L and KPCI-714. By using high speed counter of PLC, measured the frequency of flow meter at high accuracy. Adopted the average filtering algorithm to modify error and improve data precision. The precision of frequency parameter can reach 0.4 % and the sampling speed can reach to 20 times/sec by using this method.
Keywords：Industry PC control system; frequency measuring of flow meter; high speed counter
of PLC; PCI-1712L; KPCI-7414
0 引言
气动阀性能参数采集与处理系统是针对高标准的军用气动阀性能测试要求而设计的。

介质流量是气动阀最重要的性能参数，它是通过流量计输出的一串幅值为30VDC的频率信号而获得的。

测试介质是高压压缩空气，流速极快，所以如何实现流量计实时的高精度测频是整个控制系统设计的一个难点和重要环节。

我们先后使用台湾研华公司PCI-1712L数据采集卡和北京科日新公司KPCI-7414测频模
块对流量计测频，结果都很不理想，满足不了系统设计的实时性和精度要求。

我们最后用PLC高速计数功能成功完成了这一环节的设计。

1 系统工作原理
图1为气动阀性能参数采集与处理系统原理图。

系统采集的参数主要有前压、后压、压差、温度和流量等。

测试气源由电磁阀来控制开断，气源开通后，被测阀前后的压力变送器实测值分别为P1和P2，两者差即为被测阀的压差。

调节阀用来调节测试介质的流量。

科氏质量流量计选择瑞士E+H 的产品，它精度高、响应速度快，提供两路输出信号，一路为频率信号，用来测试介质的流量；另一路为4～20mA标准信号，用来测试介质的温度。

综合考虑，系统选用工控机（IPC）、数据采集卡和PCAtuo组态软件配合使用的控制方案。

前压力变送器
图1 被测阀检测过程原理图
2 流量计测频
E+H 流量计的频率信号用来测定介质的瞬时流量，其满量程为2～1000Hz。

压缩空气的流速极快，7~ 8秒就测试完毕一次，系统设计要求每60ms采集一次流量计频率值，精度为0.5％，这是系统设计的一个难点。

2.1 PCI-1712L数据采集卡测频
由于本控制系统是基于IPC的，所以我们首先想到用数据采集卡上的集成功能对流量计进行测频。

PCI-1712L是一款高速多功能PCI总线数据采集卡。

它提供16路模拟量输入，16路数字量输入/输出，以及3个10M Hz时钟的16位多功能计数器通道。

PCI-1712L是硬件和软件配合进行测频，需要两个计数器通道CNT来完成，如图2所示。

CNT1的OUT端接到CNT2的GATE端，流量计的频率信号接到CNT2的CLK端。

CNT1采用单触发（One Shot）方式，用来触发和结束CNT2计数；CNT2用来累计CNT1的每个单触发周期内被测到的信号脉冲数，从而测出信号频率。

流量计输出频率范围为2～1000Hz（属于板卡的0.2Hz~13kHz低频信号），此时板卡的内部时钟频率默认为10kHz ，每个单触发周期为6秒左右，即每6秒才能更新读数一次。

实际的测试结果比这个延迟时间还长一些，所以无法满足流量计测频的实时性要求。

图2 PCI-1712L测频示意图 2.1 KPCI-7414模块测频
K-7414 是CAN总线脉冲计数测频模块，具有独立的RS485串行通信接口,计数频率最高达2MHZ，如图3所示。

K-7414采用8254作为计数芯片，其工作方式由上位机通过串口总线设定，这里使用的RS-485串行通讯。

实际接线时把被测信号接到R485A端和R485B端，并短接RR端和R485B端。

信号上升沿触发K-7414模块计数，下降沿终止计数。

KPCI-7414输出信号通过RS485/RS232转换器送入IPC中进行处理。

KPCI-7414
图3 KPCI-1714测频示意图
KPCI-7414的板载晶振是2MHz（脉冲周期0.5µs），它的测频原理是当模块采集到N个现场脉冲频率信号时，通过所含有的晶振脉冲个数计算出现场脉冲信号的周期和频率。

比如1个信号半周内晶振脉冲个数是100，那么被测的现场频率信号半周的脉宽为100×0.5µs ＝50µs，一周的脉宽就是100µs，从而其频率f就是
1/100µs＝10000Hz。

KPCI-7414测频是严格以现场脉冲频率信号的占空比为50%为前提的，另外在高频时现场脉冲信号的脉宽很小，
这些都给实际测试结果造成较大的误差，无法达到流量计测频的精度要求。

2.3 S7-200 PLC高速计数通道测频
我们最后采用S7-200 PLC（CPU 222）的高速计数功能有效地解决了这一问题。

具体的实现框图如图4所示。

PLC高速计数通道在每个50ms时间内累加它采集到的脉冲个数，脉冲个数存放在VD604存储单元中。

最后VD604*20，即为流量计的实时频率值。

图4 PLC频率测试程序流程框图
为了使数据精度更高，测频程序中还采用了平均值滤波算法。

实际的测试结果表明，采用PLC高速计数通道测频，既能满足测频的实时性的要求，又能满足数据精度的要求。

具体的系统程序如下。

主程序：
LD SM0.1
MOVB 16#F8, SMB37 //初始化高速计数器0控制字节
MOVD +0, SMD38 //清高速计数器当前单元
HDEF 0, 0 //定义高速计数器0为工作方式0
CALL SBR_0 //调用子程序0
子程序：
LD SM0.0
MOVB 50, SMB34 //时基中段0，定时50ms
ATCH INT_0, 10 //50ms时间到，调用中断程序0
ENI //全局开中段
HSC 0 //启动高速计数器0
中断程序：
LD SM0.0 //读高速计数器0的读数值到VD200
MOVD HC0, VD200
LD SM0.0 //把脉冲个数依次压入到VD516- VD504中
MOVD VD504, VD500
MOVD VD508, VD504
MOVD VD512 VD508
MOVD VD516, VD512
MOVD VD200, VD516
LD SM0.0 //求脉冲个数的5次累加和
MOVD VD500, VD600
+D VD504, VD600
+D VD508, VD600
+D VD512, VD600
+D VD516, VD600
LD SM0.0
DTR VD600, LD0
LD SM0.0
MOVR LD0, LD4
/R 5, LD4 //得到脉冲的平均值
LD SM0.0
MOVR LD4, LD8
*R 20.0, LD8 //测得频率信号的大小
PLC不仅完成了流量计的频率测定，同时，系统的几路数字量（电磁阀、接近开关以及指示灯等）也用PLC来实现其逻辑控制，这样就省去了在数据采集板上使用数字量I/O时所必须采取的一些麻烦措施。

3 结语
采用PCI-1712L数据采集卡对低频率信号进行测定，其测频周期的延迟时间太长；采用KPCI-1714进行测频，其测频结果误差比较大，它们都不能同时满足测频的实时性和精度要求。

最后，在IPC测控系统中我们使用PLC高速计数通道对流量计进行测频，并且采用平均值滤波算法对误差进行修正，完成了测频环节的设计。

该方法的使用结果表明它在实时性和精度两个方面都达到了设计的要求。

本文的创新点是解决了在基于IPC的控制系统中高精度实时频率测量的问题。

4 参考文献
1. Advantech. PCI-1712/1732 User's manual. 2001.3
2. kerix. K-7414光隔脉冲量计数/测频模块实用说明书.2006.2
3.李堃弸等. 测控领域中基于VB 的数据采集的设计与实现[ J] .微计算机信息2005, 1: 46- 47
4.于锋等. 基于PCI- 1714 的高速数据采集系统方案设计. 微计算机信息 2005，1：60-62
5.王永华主编. 现代电气控制及PLC应用技术. 北京航空航天出版社，2003
作者简介：张予生（1962-），男，汉，电气工程师，主要从事电气技术工程项目开发和电气设备维护等工作；王明武（1980-），男，汉，在读硕士生，研究方向为工业控制网络技术与应用；王永华（1963-），男，汉，教授，河南省信息化电器重点实验室学术带头人，研究方向为工业自动化技术集成与应用，信息化工业测控电器与系统的开发与应用。

Biography：Zhang Yusheng（1962-），male, Han nationality, electric engineer，major in the work of electrical engineering technique and maintenance，and etc .。