基于ARM7的精确测速系统设计＊

广州航海高等专科学校（广州510725) 李 汉

1 前言

螺旋桨的直流发电机模拟装置如图1所示，图中 M为船舶推进电动机，G为模拟海船螺旋桨的他励直流发电机，RL为发电机的负载，B为变速器。为了利用直流发电机模拟海船螺旋桨，发电机应提供的阻转矩为：

式中 n为推进电动机的转速 (r/min)，GD2为模拟螺旋桨及传动部件的飞轮矩，为发电机及传动部件的飞轮矩，K为桨矩常数。由此可见，为了准确调节推进电动机的阻转矩，要求在一定的时间内精确测量出推进电机的转速及转速变化率。

指标如下：测速范围：3～1500r/min；测速周期：100ms；测速精度：±0.5%；最大转速变化率：±400r/min/s。

2 测速原理

2.1 干扰脉冲的识别

图1 海船螺旋桨模拟示意图

为了在电动机低速时仍然能准确地测量转速，必须处理传动轴振动带来的问题。光电编码器的输出信号如图2所示，其中(a)为传动轴平稳运行时的波形，(b)为传动轴有径向振动时的波形。光电编码器输出A、B两相信号，以A相信号为测速脉冲信号，B相信号为参考信号。由图2(a)可看出，当A相信号的上升沿时刻测得B相信号的电位与A相信号的下降沿时刻测得B相信号的电位不同时，此次脉冲为真实脉冲，反之脉冲为干扰脉冲。具体如下：在A相信号的上升沿时刻测量B相信号的电位 Vu，下降沿时刻测量B相信号的电位 Vd，则

当 Vu≠Vd时，判定本次脉冲为真实脉冲；

当 Vu=Vd时，判定本次脉冲为干扰脉冲。

在测速程序中只对真实脉冲给以计数，而忽略干扰脉冲，这样在传动轴出现振动的情况下，使用光电编码器测速的精度将大大提高。

图2 光电编码器输出波形图

2.2 抗振动M/T方法

设定测速周期为 Tc，系统接收到脉冲之后，识别出A相的干扰脉冲，从而决定是否对脉冲进行计数或作为计时开始/结束时刻。测速系统从A相信号真实脉冲的下降沿开始计时，在 Tc期间对A相信号不断判定输入脉冲的真实性，如果输入为真实脉冲，则测速计数器mp加1，如果输入为干扰脉冲，则测速计数器保持原值不变，直到计时时间到，记录测速计数器的脉冲数 mp、Tc到达前一个真实脉冲下降沿来临时刻的实际计时长度 Tn，由此计算出转速 n。假设计时时钟频率为 fc(MHz)，则

2.3 判断转向

在传动轴有振动的情况下，采用如下的方法判定转向：设置判向计数器 Dr，在A相信号脉冲为真实脉冲的下降沿时刻，测量B相信号的电位 Vd，当 Vd=“1”时，Dr加 1，当 Vd=“0”时，Dr减 1，在一个测速周期 Tc内

Dr＞ 0，则判为正转；

Dr ＜0，则判为反转。

判向计数器 Dr必须在测速周期开始时清零。这种判向的方法的好处是在一个测速周期内记录A相信号超前于B相信号的脉冲次数来判断转向，不会因为几次干扰造成判向失误，所以抗振动的性能较好。

2.4 滤波与转速变化率的求取

测量转速之后，为了平滑并求取转速变化率，使用最优二阶滤波器。输入为初次测速 r，输出为转速 n和转速变化率n˙，则滤波器的状态方程为

3 硬件设计

本系统采用PHILIPS公司生产的基于ARM7TDMI-S内核的32位嵌入式处理器LPC2114，该处理器具有丰富的片内资源，如2个定时器、I2C接口、SPI接口、2个UART接口、PWM、实时时钟RTC、看门狗、A/D转换器、多路中断系统和数量较大的GPIO，给用户系统设计带来较大方便。测速系统硬件电路如图3所示，由信号输入电路、按键和LED显示电路、复位和电源等部分组成。

图3 测速系统硬件电路图

3.1 测速信号输入电路

光电编码器输出A、B相信号经施密特触发器整形之后，分别输入到LPC2114的P0.10端和P0.11端，信号处理电路非常简单，无需复杂的硬件电路，抗干扰和脉冲计数都有软件完成。

3.2 按键和LED显示电路

显示电路有两部分，一部分采用发光二极管，分别显示运行、正转和反转指示信号；另一部分采用8个数码管，用于显示测速的结果。发光二极管直接由 LPC2114 的 GPIO 端口 P0.4、P0.5、P0.6驱动，而8个数码管则通过LED与键盘驱动芯片ZLG7290动态驱动，SegA～H端输出显示码，它们通过220!电阻与数码管的a～h连接，Dig0～7端输出位选码，分两组，第一组Dig0～3与低4位数码管C0～C3连接，第二组Dig4～7与高4位数码管C0～C3连接。ZLG7290通过I2C接口与LPC2114连接，具有独立的晶振电路(6MHz)，其复位信号由芯片SP708S提供。

系统采用两个控制按键，一个是开始(START)按键，另一个是停止(STOP)按键。当START按下时系统开始工作，同时运行指示灯亮，而STOP按下后系统将停止测速，运行指示灯灭。

3.3 电源与复位电路

LPC2114需要两种电压，+3.3V 和 +1.8V，同时，逻辑电路和编码器还需要+5V的直流电源，所以电源电路需要通过3种电压。使用三端稳压电路7805、LM11173-3.3和 LM11173-1.8可提供系统所需的电源。为了提高系统的可靠性，复位电路使用专用芯片SP708S。SP708S同时向LPC2114和ZLG7290提供复位信号。

4 软件设计

4.1 端口配置

LPC2114内部具有两个32位定时器-定时器0和定时器1，分别具有3路和4路32位的捕获通道，各有4个匹配寄存器，仅使用一个定时器就完成测速周期定时和测速的要求，这里选用定时器1。编码器A相脉冲信号从P0.10端口输入，测速系统需要在A相信号下降沿和上升沿时刻能够产生中断并且捕获该时刻的定时值，因此 P0.10 设置为 CAP1.0。B 相脉冲信号从P0.11端口输入，因B相信号需要检测电位，故P0.11设置为GPIO，方向设置为I。定时器C语言初始化程序如下：

测速系统通过I2C接口与ZLG7290连接，管理按键和显示电路需要将P0.2设置为SCL，P0.3设置为SDA，才能使用I2C接口。I2C接口C语言初始化程序如下：

测速系统的三个发光二极管由端口 P0.4、P0.5、P0.6 控制，故P0.4、P0.5、P0.6 应设置为 GPIO，方向为 O。

系统所用宏定义如下：

初始化程序如下：

4.2 测速和判断转向

抗振动测速和判向主要由定时器1的中断程序完成，时序图如图4所示。图中测速周期0.1s定时由定时器的匹配寄存器MR0产生，MR0配置为匹配时中断并且复位，因此，定时器TC的值在0～110591之间循环，每次循环产生一次中断。中断时记录编码器A相信号真实脉冲计数器mp的值、判向计数器Dr的值、mp个真实脉冲的计时长度Tn，由这些数据可计算出转速和判断转向。在中断程序中计算转速、判断转向和滤波会导致中断程序执行时间过长，为了避免这种情况，使用联络标志位bPro。当测速周期结束时 bPro=“1”，主程序检测到 bPro为“1”则由 mp、Dr、Tn 计算转速、判断转向并进行滤波处理，求出平滑后的转速和转速变化率，处理完毕bPro清零。这样将计算转速、判断转向和滤波的工作交给主程序完成，降低中断程序的负担。为了重新测速，在记录A相脉冲数计数器mp、判向计数器Dr的值之后，mp、Dr应清零。采用标志位bST来识别是否需要记录脉冲的初值。当测速周期开始时，bST=“1”，在此条件下检测到A相真实脉冲下降沿，则记录CAP1.0捕获的计时值(用寄存器Tn0保存)作为测速脉冲开始时刻，同时bST复位，进入正常脉冲计数过程。在正常脉冲计数过程中，CAP1.0不断捕获A相信号边缘的计时值，但只有真实脉冲的下降沿所捕获的计时值才用寄存器Tn保存下来，同时对A相信号的真实脉冲个数进行计数，保存于计数器mp中；检测A相超前于B相的周期数并保存于判向计数器Dr中。到测速周期结束时，Tn保存的值就是真实脉冲计时的终值，此值减去初值Tn0，得到mp的真实脉冲的计时长度Tn(即Tn←Tn-Tn0)。中断程序和主程序的流程图分别如图5、6所示。

图4 抗振动测速判向时序图

4.3 测速范围的适用性

本系统使用槽数为500的光电编码器，32位脉冲计数器，在0.1s测速周期内能检测到的最低转速为

图5 中断程序流程图

经过测算，在CPU频率为44.2368MHz的情况下，定时器中断程序在一个测速周期内的平均执行时间不超过3!s(考虑执行中断延时)，如果系统在一个测速周期内20%的时间执行中断程序，并且电机高速时运行平稳，光电编码器的干扰脉冲极少，在不考虑干扰的情况下，一个脉冲产生两次中断，则最高转速可达

图6 主程序流程图

可见，本程序能够满足系统测速范围的要求。

5 测试结果及分析

测速系统的测试曲线如图7所示，其中(a)(b)分别是使用非抗振动程序和抗振动程序测量结果 (设定转速为 5.6r/min)，(c)为电机由静止加速到1200r/min的过程曲线，1为测速系统初始测速曲线，2为经滤波处理之后的转速曲线，3为转速变化率曲线。

(1)在低速转轴振动条件下(设定转速为5.6r/min)，采用非抗振动测速程序测量结果为17.1r/min，结果远远偏离设定值，且测向不稳；采用抗振动测速程序测量结果为5.65r/min，非常接近设定转速，同时测向准确，可见采用抗振动程序测速是有效的。

(2)由图(a)和图(b)可见，经滤波后转速曲线较为平滑，使用最佳二阶滤波器取得较好效果。

(3)图(c)分为两段，第一段电动机在40个测速周期内将转速由静止加速到800r/min，转速变化率为200r/min/s，与实测结果基本相符；第二段在25个测速周期内将电动机加速到1200r/min，转速变化率为160r/min/s，与实测结果基本相符。

(4)最佳二阶滤波器具有较好的快速性。

6 结束语

本文在提出一种光电编码器的抗振动测速和判向方法的基础上，研制以32位嵌入式处理器(LPC2114)为控制器的精确测速系统。由于ARM7处理器LPC2114具有丰富的片内资源，在用户系统的硬件和软件设计中都显示出较好的灵活性和简便性。同时，32位数据宽度和流水线设计带来测量的高精度和程序运行的快速性，给测控系统提供了新的活力和用途。本系统设计已应用于海船螺旋桨直流发电机模拟装置中，证实在转速和转速变化率测量方面具有较高的精度，满足该装置的技术要求，取得了较好的实用效果。

图7 测速系统的测试曲线图

[1]宋刚等.基于普通编码器的高精度测速方法[D].上海交通大学学报，2002，8:1169 ～1172

[2]周立功，编著.ARM微控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005

[3]沈建华，译.ARM嵌入式系统开发-软件设计与优化[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005