引言

    頻率測(cè)量是電力系統(tǒng)測(cè)量中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)中采樣對(duì)測(cè)頻要求有一定的實(shí)時(shí)性。電網(wǎng)頻率范圍在45Hz與55Hz之間，一般在49.5與50.5之間波動(dòng)。在精度要求不需要特別高的電網(wǎng)頻率測(cè)量中，本文給出一種基于DSP芯片TMS320F2812的一種簡(jiǎn)易測(cè)頻方法。該方法有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器（EV）的捕獲功能，在被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿捕獲計(jì)數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)多靠軟件設(shè)置，運(yùn)算簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，精度達(dá)10－3，完全能夠滿(mǎn)足要求。

1 測(cè)頻原理及常用方法

   測(cè)頻是電子測(cè)量技術(shù)中最基本的測(cè)量之一，通常采用的直接測(cè)頻方法有測(cè)頻法和測(cè)周法兩種。

   測(cè)頻法就是在確定的閘門(mén)時(shí)間Tw內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)（或脈沖個(gè)數(shù)）Nx，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：fx=Nx/Tw。測(cè)周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率fs，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)Ns，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：fx=fs/Ns。這兩種方法都會(huì)產(chǎn)生±1誤差(計(jì)數(shù)脈沖和門(mén)控信號(hào)不同步而產(chǎn)生)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(所使用的晶振不穩(wěn)定引起)，且±1誤差較標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差更大。為了保證測(cè)試精度，一般采用低頻端測(cè)周高頻端測(cè)頻。電網(wǎng)頻率在50Hz左右，采用測(cè)周法能達(dá)到較高的精度。捕獲測(cè)頻原理波形圖見(jiàn)圖1。精度更高的等精度測(cè)頻方法有多周期同步測(cè)頻法和多周期完全同步測(cè)頻法。但這兩種方法實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜,可參看參考文獻(xiàn)[5].

2 測(cè)頻的硬件設(shè)計(jì)

2．1 TMS320F2812芯片簡(jiǎn)介

   TMS320F2812是TI公司2000系列的新型DSP芯片，具有32位低功耗定點(diǎn)處理器，最高主頻150MHz，有強(qiáng)大的操作能力和迅速的中斷響應(yīng)處理能力。片內(nèi)有18K字高速RAM，128K字的可加密Flash ROM。片上還集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，有SPI、SCI、eCAN和McBSP等多個(gè)串口外圍設(shè)備，16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），兩個(gè)事件管理器（EVA，EVB），56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用I/O口（GPIO）。該DSP芯片集成了大量工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的外設(shè)接口，能大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)它也具有足夠的處理能力，是應(yīng)用于控制領(lǐng)域的一款高性能DSP處理器。

2．2 事件管理器及其捕獲單元

   其片內(nèi)外設(shè)事件管理器含有兩個(gè)模塊EVA和EVB，每個(gè)模塊都包括2個(gè)通用目的（GP）定時(shí)器、3個(gè)全比較/PWM單元、3個(gè)捕捉單元和1個(gè)正交編碼脈沖電路。事件管理器為用戶(hù)提供了眾多的功能和特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)控制和馬達(dá)控制中特別有用。圖2是捕獲單元模塊圖，標(biāo)出了一些相應(yīng)的寄存器設(shè)置。

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這里利用EV模塊的定時(shí)器，可以節(jié)省一個(gè)CPU定時(shí)器去處理其他工作。捕獲單元捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，由內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄一個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，并通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算來(lái)得到被測(cè)頻率的大小。頻率測(cè)量時(shí)應(yīng)在接入DSP前接一比較電路，將被測(cè)信號(hào)整形為方波信號(hào)后輸出到DSP捕獲引腳。圖3為硬件電路模塊圖。

捕獲單元可以記錄捕獲單元引腳的變化，用戶(hù)可以指定診斷變化的方式（上升沿、下降沿或兩個(gè)邊沿）。當(dāng)捕捉輸入引腳CAPx（x＝1、2、3屬于EVA；x=4、5、6屬于EVB）檢測(cè)到變化時(shí)，它將捕捉所選擇的GP定時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，并把該計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在兩級(jí)深度的16位FIFO堆棧中。這里每個(gè)捕捉單元都有一個(gè)專(zhuān)用的2級(jí)深度FIFO堆棧，頂層堆棧由CAPFIFOx組成，底層由CAPxFBOT組成。測(cè)頻分兩次捕捉，第一次捕捉到引腳發(fā)生的指定變化時(shí)，捕獲單元將捕捉所選用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值并把該值寫(xiě)入FIFO堆棧的上層寄存器（如果堆棧為空）。如果在第一次捕捉的值讀取之前發(fā)生第二次捕捉，一個(gè)新的捕捉值會(huì)被送入底層寄存器。捕獲單元捕捉到數(shù)值后，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置1，如果沒(méi)有屏蔽中斷，就會(huì)產(chǎn)生外圍設(shè)備中斷請(qǐng)求。這里第一次捕捉屏蔽中斷，第二次設(shè)置為和第一次捕捉相同的跳變沿捕捉，并開(kāi)中斷。響應(yīng)中斷，就可以通過(guò)中斷服務(wù)程序讀出一對(duì)捕捉的數(shù)值。這樣的一對(duì)捕捉值正好是一個(gè)被測(cè)頻率周期的兩次計(jì)數(shù)。堆棧中的數(shù)值個(gè)數(shù)可以通過(guò)16位的FIFO狀態(tài)寄存器CAPFIFOA（或CAPFIFOB）檢測(cè)到。讀出堆棧中兩次存入的新舊捕獲值，就能計(jì)算出一個(gè)周波內(nèi)的標(biāo)頻脈沖數(shù)，進(jìn)而得出被測(cè)周波的頻率。

3 測(cè)頻軟件設(shè)計(jì)

3．1 事件管理器的初始化

初始化事件管理器時(shí)，在EVA的定時(shí)器1控制寄存器（T1CON）中設(shè)為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，64分頻（由于被測(cè)的電網(wǎng)頻率范圍在45Hz－55Hz，而TMS320F2812主頻為150MHz，計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)為0xFFFF，即65535.為使精度最高，選64分頻，150M/64/50=46875），并使能定時(shí)器T1。通過(guò)設(shè)置捕獲單元控制寄存器A（CAPCONA）的相應(yīng)位來(lái)選用EVA模塊的CAP1和GP定時(shí)器T1，并設(shè)為上升沿捕獲。這里選用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，寫(xiě)0xFFFF到周期寄存器T1PR以使兩次捕獲的計(jì)數(shù)值之差盡可能大。GP定時(shí)器T1根據(jù)輸入時(shí)鐘進(jìn)行增計(jì)數(shù)直到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與周期寄存器（T1PR）的值相等時(shí)為止，在產(chǎn)生匹配后的下一個(gè)輸入時(shí)鐘上升沿定時(shí)器復(fù)位為0并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。捕獲前要清中斷標(biāo)志位，開(kāi)捕獲中斷。初始化子程序下所示。

void InitEv(void)

{

EvaRegs.T1PR = 0xFFFF;        //周期寄存器設(shè)為FFFF

       EvaRegs.T1CNT=0;

       EvaRegs.T1CON.all=0;          //定時(shí)器控制寄存器

       EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2;    //連續(xù)增計(jì)數(shù)模式

       EvaRegs.T1CON.bit.TPS=5;      //4分頻

       EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;  //使能定時(shí)器

       EvaRegs.CAPCON.all=0;         //捕捉控制寄存器

       EvaRegs.CAPCON.bit.CAPQEPN=1;  //使能捕捉

       EvaRegs.CAPCON.bit.CAP1EDGE=1;    /檢測(cè)上升沿

       EvaRegs.CAPCON.bit.CAP12TSEL=1;  //選定時(shí)器1

       EvaRegs.CAPFIFO.bit.CAP1FIFO=0; //CAP1FIFO空

       EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;//清捕獲中斷1標(biāo)志位

       EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //捕獲1中斷使能

}     

3．2 捕獲中斷子程序[!--empirenews.page--]

   進(jìn)入捕獲中斷子程序時(shí)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后首先清CAP1中斷標(biāo)志位，從2級(jí)深度FIFO中依次讀出兩次捕獲的計(jì)數(shù)值capnum1和capnum2。如果capnum2大于capnum1，則直接相減，之差即為在被測(cè)頻率的一個(gè)周波內(nèi)記的定時(shí)器T1脈沖數(shù)t。若capnum2小于capnum1，則說(shuō)明在計(jì)數(shù)過(guò)程中有計(jì)數(shù)溢出，即計(jì)數(shù)到周期寄存器T1PR內(nèi)寫(xiě)入的0xFFFF后回零重新計(jì)數(shù)，因此在求脈沖數(shù)t時(shí)要在capnum2與capnum1之差上加上0xFFFF。被測(cè)的信號(hào)頻率：f = 時(shí)基T1的頻率/ t，這里時(shí)基T1的頻率為時(shí)鐘主頻除以分頻系數(shù)，即fT1=150M/64，因此所測(cè)頻率f=150M/64t。下面為捕獲中斷子程序。

unsigned  int capnum1;

unsigned  int capnum2;

float f；

  float pinlvf[5];

  int fnum=0;

 interrupt void CAPINT1_ISR(void)    // EV-A捕獲中斷子程序

{

unsigned int temp;

       EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1;// 清捕獲中斷1標(biāo)志位

       capnum1=EvaRegs.CAP1FIFO;

       capnum2=EvaRegs.CAP1FIFO;

       if(capnum2 > capnum1)

              temp = capnum2-capnum1;

       else

              temp = capnum2+(0xFFFF-capnum1);

       pinlvf[fnum++] =temp;

       if(fnum>4) fnum=0;//取5個(gè)數(shù)值后回零

       f= 2343750.0/(float)temp;//f= 150M/64/temp

       PieCtrl.PIEACK.bit.ACK3 = 1;//開(kāi)外設(shè)中斷應(yīng)答

}

結(jié)語(yǔ)

本文給出了基于DSP芯片TMS320F2812的一種測(cè)頻方法，主要利用了其自帶的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的捕獲功能。方法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，所測(cè)頻率精度達(dá)到10-3，完全能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)中經(jīng)常要用到的測(cè)頻精度。并已在電網(wǎng)自動(dòng)化FTU上應(yīng)用，有較大的實(shí)用價(jià)值。