專利名稱：一種低頻方波周期檢測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種低頻方波周期檢測系統，用于低頻方波信號的高精度周期檢 測。
背景技術：
質量綜合測試臺是用來測試衛星、箭彈等的質量、質心及轉動慣量特性的測試設 備，利用專用工裝將被測件與測試臺連接，通過改變被測件狀態，分步測出衛星的質量、質 心、轉動慣量參數。質量特性綜合測試臺對轉動慣量和慣性積測量，需要對被測件扭擺低頻 周期進行精確測量，扭擺低頻周期的測量精度決定了轉動慣量的測量精度。傳統的低頻頻 率測量主要采用分立元件，由于分立元件較多，因此設計難度大、易出錯、精度低，并且設計 完成后，若需要修改，只能重新進行電路設計、制版、焊接等工作。
實用新型內容本實用新型的技術解決問題是克服了傳統測試系統的不足，提供一種低頻方波 周期檢測系統，提高了低頻方波周期信號的頻率檢測精度。本實用新型的技術解決方案是一種低頻方波周期檢測系統，包括光電隔離電路、 信號整形電路、FPGA信號采集單元、ARM數據處理單元以及計算機，經由接近開關輸出的低 頻方波信號先經過光電隔離電路進行信號隔離，隔離后的低頻方波信號由信號整形電路進 行整形處理，FPGA對經過整形處理的低頻方波信號進行周期計數，ARM系統對FPGA的周期 計數值進行處理計算得到低頻方波的周期值，計算機將該周期值進行存儲；所述的光電隔 離電路由限流電阻、光電耦合芯片、限壓電阻和電容組成，在接近開關和光電耦合芯片之間 接限流電阻，光電耦合芯片輸出端與供電電壓之間接限壓電阻，在光電耦合芯片輸出端與 地之間接電容。本實用新型與現有技術相比的有益效果是本系統采用接近開關作為信號采集傳 感器，通過光電隔離、信號整形后，利用FPGA和ARM完成低頻信號周期的高精度測量，FPGA 內部頻率的檢測邏輯可以根據不同項目的需要，隨時進行修改，因此大大提高了系統設計 的靈活性。采用該低頻方波周期檢測系統對質量特性綜合測試臺的轉動慣量測量誤差小于 0. 05%，試件轉動慣量+0. Ikg · m2，大大提高了低頻方波周期信號的頻率檢測精度。
圖1本實用新型的系統組成結構圖；圖2為本實用新型光電隔離電路原理圖；圖3為本實用新型信號整形電路原理圖；圖4為本實用新型FPGA信號采集和控制原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細的描述扭擺頻率的檢測選用接近開關，當扭擺臺轉動時，接近開關將被打開和關閉，通過 檢測接近開關的打開和關閉的方波信號，即可得到扭擺周期。為了提高測量精度，本實用新 型選用速度快、使用靈活的FPGA進行低頻扭擺周期采樣，采樣結果通過ARM處理器讀取，并 通過串口發送到PC機，通過PC機的軟件完成轉動慣量的計算。如圖1所示，低頻方波周期檢測系統主要包括光電隔離電路、信號整形電路、FPGA 信號采集單元、ARM數據處理單元以及檢測計算機。接近開關信號經過光電隔離和信號整形 后進入FPGA，FPGA通過一系列的處理后，將采樣到的周期值保存到RAM區，并發送讀取信號 給ARM處理器，ARM處理器得到讀取信號后，根據FPGA的狀態位，到指定地址讀取周期值， 經處理后，通過串口發送到PC機，下面詳細介紹各部分的主要功能。由于接近開關的輸出信號是12V，而FPGA是CMOS電路，工作電壓為3. 3V ；因此光 電隔離電路選用4N25光電隔離芯片，該芯片不但實現了電壓轉換，而且起到了內外電路的 隔離，提高了該頻率檢測模塊的抗干擾能力和安全性。光電隔離電路是由限流電阻R401、光 電耦合芯片IC401、限壓電阻R402和電容C401組成，電路原理見圖2。接近開關Z401、的 有感距離為8-12mm，選型由工程機械尺寸決定，其一為電感式，接近目標為鐵金屬，尺寸較 大；其二為霍爾半導體式，接近目標為磁鐵，尺寸較小。接近開關的供電為6-30V，其輸出方 式有兩種，一種如圖2所示為PNP輸出方式；另一種為NPN輸出方式，需要改接光電耦合芯 片IC401輸入電路即可。IC401為信號隔離光偶，以免有害高壓信號接入燒壞電路，選擇型 號為4N25，其輸入限流電阻R401可根據供電電壓決定，當供電電壓為6V時限流電阻R401 為250歐姆。光偶輸出接限壓電阻R402，根據供電電壓選IK歐姆。其輸出信號經濾波電容 C401后為Vin進入下一級整形電路。接近開關的輸出的方波信號存在一定的邊沿抖動，信號噪音較大，為了提高頻率 的檢測精度，在信號進入FPGA前，將信號通過整形電路整形成較理想的方波信號。整形電 路是由電阻R406、電容C402、電阻R407、電阻R408、與門M401、電容C404、或門M402、電阻 C405、電阻R409和發光二極管D401組成，電路原理見圖3。一方面為了得到較陡峭的上升沿 和下降沿必須要進行信號整形，另一方面為了防止信號干擾就要針對高頻雜波進行濾波， 針對這兩方面的設計是矛盾的，所以整形電路分兩級，在第一級的輸入加入了較弱的高頻 濾波和限流，由阻值100的電阻R406歐姆和容值0. OluF的電容C402組成。并采用了上拉 下墊的方法，增加了阻值24K的電阻R407和阻值30K的電阻R408。第一級整形由與門M401 完成，型號TC7SH08FU，為得到較好的波形把與門的輸入端并聯。C404為電源濾波電路。整 形電路第二級由或門M402完成，型號TC7SH86FU，一方面繼續增加整形效果，使方波的升降 沿更加穩定，這樣可以使升降沿的抖動基本消除，同時也把高頻雜波逐級減弱致消除。另一 方面增加了輸出的帶載能力，使信號E-LED就可以作為FPGA的輸入信號。最后設計了限流 電阻R409阻值為470歐姆和發光二級管D401，在接近開關工作時便于觀察和檢測。FPGA信號采集和控制原理見圖4，FPGA信號采集單元主要有兩個計數器、兩個數 字濾波器、兩個存儲器、兩個總線緩沖器以及時序控制邏輯等部分組成。為了提高周期的測 量精度，通過FPGA內部的PLL，將高電平半周期計數器的計數頻率倍頻到25MHz ；為了不間 斷的進行周期采樣，采用兩個計數器交替進行采樣，高電平半周期計數器從上升沿開始計
4數，下降沿計數停止，停止計數后，計數值經過數字濾波器濾波、存儲器存儲以及緩沖器緩 沖后通過控制邏輯將計數值存入RAM中，并中斷ARM處理器和設置狀態標志，ARM處理器進 入中斷處理程序后，將根據FPGA的狀態標志，到相應的RAM區讀取計數值。低電平半周期 計數器從下降沿開始計數，上升沿停止，其工作方式與高電平半周期計數器相同。雖然該模塊已經對接近開關的信號進行了光電隔離和整形，但是開關信號的上升 沿和下降沿仍存在一定的抖動，因此通過對計數器的開始計數和結束計數信號進行數字濾 波處理，進一步提高了周期測量精度。FPGA與ARM并行總線通訊FPGA與ARM系統的數據通訊采用并行總線方式，由于 ARM總線與FPGA的總線時序不匹配，無法直接進行通訊，ARM的總線時序是固定的，無法通 過編程改變其時序，而FPGA對時序的編程比較方便，通過對FPGA總線時序進行了修改，實 現了 ARM和FPGA總線通訊。ARM處理器可以根據需要直接對FPGA內部的RAM區進行讀取 數據，數據傳輸非常方便。ARM處理器主要完成數據的讀取、處理和數據傳輸。ARM數據處理單元采用了 PHILIPS公司基于ARM7TDMIS核、LQFP64封裝的LPC2138，該芯片主要完成數據的讀取、處 理和數據傳輸。當ARM處理器得到FPGA的中斷信號后，進入中斷處理程序，讀取FPGA的狀 態標志，根據狀態標志，讀取FPGA內相應的RAM區；由于FPGA的單個計數器的計數值不是 一個完整扭擺周期內的計數值，因此，ARM系統對讀入的一系列計數值后，進行一系列的處 理后，計算出整周期值，并通過串口發送到PC機。由于FPGA內部是由可編程門陣列構成，因此其速度非常快，且其內部有高精度鎖 相環，能夠保證高頻計數器的頻率精度。另外，由于FPGA內部邏輯可以編程，能夠實現對 被測信號的數字濾波處理，因此與傳統設計相比，能夠進一步提高頻率檢測精度。經檢測 該頻率檢測系統能夠達到0. 01%秒的周期測量精度，而衛星轉動慣量的周期測量精度要求 0. 秒，因此該模塊能夠較好的滿足衛星轉動慣量的測量要求。本實用新型未詳細描述內容為本領域技術人員公知技術。
權利要求1. 一種低頻方波周期檢測系統，其特征在于包括光電隔離電路、信號整形電路、FPGA 信號采集單元、ARM數據處理單元以及計算機，經由接近開關輸出的低頻方波信號先經過光 電隔離電路進行信號隔離，隔離后的低頻方波信號由信號整形電路進行整形處理，FPGA對 經過整形處理的低頻方波信號進行周期計數，ARM系統對FPGA的周期計數值進行處理計算 得到低頻方波的周期值，計算機將該周期值進行存儲；所述的光電隔離電路由限流電阻、光 電耦合芯片、限壓電阻和電容組成，在接近開關和光電耦合芯片之間接限流電阻，光電耦合 芯片輸出端與供電電壓之間接限壓電阻，在光電耦合芯片輸出端與地之間接電容。
專利摘要一種低頻方波周期檢測系統，包括接近開關、光電隔離、信號整形、FPGA信號采集單元、ARM數據處理單元以及FAGA與ARM并行總線通訊等幾部分。接近開關信號經過光電隔離和信號整形后進入FPGA，FPGA通過一系列的處理后，將采樣到的周期值保存到RAM區，并發送讀取信號給ARM處理器，ARM處理器得到讀取信號后，根據FPGA的狀態位，到指定地址通過總線方式讀取周期值，ARM處理器經過一系列的計算處理后，通過串口發送到PC機。該方法適用于對低頻方波信號的高精度檢測，具有檢測精度高、系統設計靈活性強等特點。
文檔編號G01M1/10GK201897522SQ20102059767
公開日2011年7月13日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者劉凈瑜, 楊謙, 熊濤, 王海峰, 范洪濤, 董禮港, 馬燕生 申請人:北京衛星制造廠