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[摘 要]本文利用MSP430F149单片机定时器和I/O中断技术代替以往的测速发电机，对频率进行实时测量，并将测得的数据送入反馈回路，应用于同步发电机的汽门控制，从而达到当负载发生变化时，能保持电机转速不变的控制效果。
[关键词]频率 测量 单片机
中图分类号：V243.1；TN972 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0198-01
前言
频率是衡量电能质量的重要参数之一，对用户来说，频率在额定值下运行是最有利的。系统低频运行对大多数用户及电力系统自身的运行都有很多的危害。频率过低或频率崩溃往往又是造成大范围停电事故的原因之一。近年来同步发电机在工业中的广泛应用，在对它们进行综合控制的同时，对转速控制的要求越来越高，而这又与频率有着密切关系。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，可以达到较高准确度的测量。
一、当前研究现状及通用控制器的基本原理
1.当前研究现状
随着人们对控制精度的要求越来越高，人们对电能的质量（频率、电压和波形）、数据要求更严格，还要求安全、经济运行，并具有很强的抗干扰能力和事故恢复能力。虽然同步发电机通用控制器是一个具有良好控制性能的励磁和汽门控制器，可以极大地提高系统的稳定性。但因为使用测速发电机来检测电动机的转速，由于外部摩擦及人为因素的影响，所得数据十分粗糙，很不准确，为以后的数据分析及实验结果带来了很大误差。而单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、定时/计数器等硬件， 能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数，并且可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。在当前的研究领域占有重要地位。
2.通用控制器的基本原理
220V交流電网电压经过控制器电源部分的降压、整流后通入主回路中，使控制器的主回路产生可控的PWM波，电机的输出转速与负载电压通过检测转换电压（降压、整流）以反馈的方式进入控制电路，经过SG3524对反馈信号的处理，输出控制信号控制主电路的PWM波的占空比，实现对同步发电机的励磁电流或直流电机端电压的自动调节，进而使发电机的输出电压及频率在一定范围内保持恒定。
二、MSP430单片机简介
TI公司MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备。同时该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合于设计片上系统；有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。他是一个16位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器（目前最大的RAM为2KB），其RAM单元也可以实现运算。
在超低功耗方面，MSP430系列单片机能够实现在1.8～3.6V电压、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流（在0.1～400μA之间）因不同的工作模式而不同；同时能够在实现液晶显示的情况下，只耗电0.8μA。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHZ晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字处理的某些算法（如FFT等）。在整合方面，MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内。其中：定时器A、B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出；模拟比较器与定时器配合，可方便地实现ADC；液晶驱动多达160笔段；硬件ADC模块能在小于10μs的速率下实现10～14位的高速、高精度转换，同时提供采样/保持与参考电压；端口0，1，2（P0，P1，P2）能够接收外部上升沿或下降沿的输入。MSP430F149单片机引脚图如下所示：除此之外，MSP430系列单片机具有强大的处理能力，16位RISC结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），简洁的27条内核指令及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法。
三、基于单片机测频功能的实现
1.信号预处理硬件电路设计
首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大，使之变为一波形正规，幅值适当的正弦信号，然后经过比较器变为方波信号进入单片机。由于发电机输出的信号很强，但在传输过程中，受到很大的干扰，波形会产生许多毛刺，故采用双级RC滤波。考虑到零点漂移的存在，输出电压将不断在高、低电平间跳变，这在控制系统中，对执行机构的不利，采用具有磁滞传输特性的比较器，能够在输入电压由小变大或有大变小时，产生两种不同的门限电压。运放接成正反馈形式，加速输出高低电平的转换。
2.频率测量原理与方法
交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即。测量必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。在一般数学电路中，对测量是由电路提供标准闸门信号即t=， 通常为1s 或它的十倍百倍等，然后对 内的被测信号变化的次数进行计数， 得到， 即可得到。对于低频信号，数字电路中采用的是测周期法，即，由电路提供标准时基信号将被测信号的周期作为闸门， 将测量转化为对标准时基信号进行计数。在数字电路中， 标准闸门信号或标准时基信号由专门的电路提供。
利用MSP430系列单片机， 采用上述测量原理，标准闸门信号或标准时基信号可由单片机内的定时/ 计数器提供，只需采用简单的程序控制就可测得对应的经过信号预处理的或。
周期测量法：适用于低频信号。采用单片机内的一个定时/ 计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得，因此被测信号周期为。
频率测量法：适用于高频信号。充分利用单片机内的两个定时/ 计数器。一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器， 对的变化次数直接进行计数得，。 测量方法：采用周期测量法。用单片机内定时/ 计数器Timer_A 对内部机器周期计数。定时器的开关由程序根据I/O口P1.5上的状态进行控制，检测到上升沿时Timer_A 第一次计数，当紧接着的另一个上升沿被检测到时Timer_A 第二次计数。将TAR 中的两次计数值相减，则被测信号周期。
四、模拟系统调试及连调
1.调试
首先按如下框图接好电路，接着是对每个人的电路进行调试。
信号预处理电路将输入的正弦波转换成了很工整的方波，而且消去了过程中带入的毛刺，因而此电路切实可行。
2.系统连调
在程序中给定直流电动机转速，当直流电动机转速恒定时，改变负载，记录直流电动机转速变化情况和端电压变化情况。在具体实验时同步发电机初始時带十个功率为40瓦的电灯作为负载，此时转速为1025转/分。在此基础上增加和减少负载后的转速和端电压记录如下：负载（盏数）、转速（转/分）、端电压（伏特）分别未：10、12、14、16；1025、1034、1042、1050；200、210、218、226。
当给定不变、负载发生变化时，能够通过反馈回去的转速及时对电动机的转速进行调整，近而使转速在一个固定值上很小的波动，取得了很好的控制效果。
五.结束语
本文在同步发电机励磁/模拟汽门通用控制实验装置的基础上，对该实验装置进行改造，实现测频功能。
首先设计了信号预处理硬件电路，设计的过程中，改变了以往电路中的过零比较器，改用磁滞比较器，避免了输出电压在高低电平之间的反复跳变。但在实验中，输出波形带有许多毛刺，后来改用两级滤波，又经过对参数的重新计算与选取，才达到了理想效果。
软件设计方面，开始沿着测频的基本思路，但在编程的过程中，C语言的运用生硬死板，也出现了许多错误。等逐渐熟悉了编程环境，改用数组，灵活使用中断技术后，简化了程序，实现了测频功能。
总之，实现了软硬件的测频功能，是改进后的控制器达到了很好的控制效果。
参考文献
[1] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社，2002.11.
[2] 仉志华， 田咏桃， 康忠健， 陈继明， 张加胜.同步发电机励磁/模拟汽门通用控制实验装置的研制.电气电子教学学报，2005，27（2）.
[3] 刘润华，刘立山.模拟电子技术.东营：石油大学出版社，2001.8.
[4] 申忠如，郭福田，丁辉.电气测量技术[M]. 北京科学出版社，2003.
[关键词]频率 测量 单片机
中图分类号：V243.1；TN972 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0198-01
前言
频率是衡量电能质量的重要参数之一，对用户来说，频率在额定值下运行是最有利的。系统低频运行对大多数用户及电力系统自身的运行都有很多的危害。频率过低或频率崩溃往往又是造成大范围停电事故的原因之一。近年来同步发电机在工业中的广泛应用，在对它们进行综合控制的同时，对转速控制的要求越来越高，而这又与频率有着密切关系。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，可以达到较高准确度的测量。
一、当前研究现状及通用控制器的基本原理
1.当前研究现状
随着人们对控制精度的要求越来越高，人们对电能的质量（频率、电压和波形）、数据要求更严格，还要求安全、经济运行，并具有很强的抗干扰能力和事故恢复能力。虽然同步发电机通用控制器是一个具有良好控制性能的励磁和汽门控制器，可以极大地提高系统的稳定性。但因为使用测速发电机来检测电动机的转速，由于外部摩擦及人为因素的影响，所得数据十分粗糙，很不准确，为以后的数据分析及实验结果带来了很大误差。而单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、定时/计数器等硬件， 能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数，并且可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。在当前的研究领域占有重要地位。
2.通用控制器的基本原理
220V交流電网电压经过控制器电源部分的降压、整流后通入主回路中，使控制器的主回路产生可控的PWM波，电机的输出转速与负载电压通过检测转换电压（降压、整流）以反馈的方式进入控制电路，经过SG3524对反馈信号的处理，输出控制信号控制主电路的PWM波的占空比，实现对同步发电机的励磁电流或直流电机端电压的自动调节，进而使发电机的输出电压及频率在一定范围内保持恒定。
二、MSP430单片机简介
TI公司MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备。同时该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合于设计片上系统；有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。他是一个16位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器（目前最大的RAM为2KB），其RAM单元也可以实现运算。
在超低功耗方面，MSP430系列单片机能够实现在1.8～3.6V电压、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流（在0.1～400μA之间）因不同的工作模式而不同；同时能够在实现液晶显示的情况下，只耗电0.8μA。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHZ晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字处理的某些算法（如FFT等）。在整合方面，MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内。其中：定时器A、B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出；模拟比较器与定时器配合，可方便地实现ADC；液晶驱动多达160笔段；硬件ADC模块能在小于10μs的速率下实现10～14位的高速、高精度转换，同时提供采样/保持与参考电压；端口0，1，2（P0，P1，P2）能够接收外部上升沿或下降沿的输入。MSP430F149单片机引脚图如下所示：除此之外，MSP430系列单片机具有强大的处理能力，16位RISC结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），简洁的27条内核指令及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法。
三、基于单片机测频功能的实现
1.信号预处理硬件电路设计
首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大，使之变为一波形正规，幅值适当的正弦信号，然后经过比较器变为方波信号进入单片机。由于发电机输出的信号很强，但在传输过程中，受到很大的干扰，波形会产生许多毛刺，故采用双级RC滤波。考虑到零点漂移的存在，输出电压将不断在高、低电平间跳变，这在控制系统中，对执行机构的不利，采用具有磁滞传输特性的比较器，能够在输入电压由小变大或有大变小时，产生两种不同的门限电压。运放接成正反馈形式，加速输出高低电平的转换。
2.频率测量原理与方法
交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即。测量必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。在一般数学电路中，对测量是由电路提供标准闸门信号即t=， 通常为1s 或它的十倍百倍等，然后对 内的被测信号变化的次数进行计数， 得到， 即可得到。对于低频信号，数字电路中采用的是测周期法，即，由电路提供标准时基信号将被测信号的周期作为闸门， 将测量转化为对标准时基信号进行计数。在数字电路中， 标准闸门信号或标准时基信号由专门的电路提供。
利用MSP430系列单片机， 采用上述测量原理，标准闸门信号或标准时基信号可由单片机内的定时/ 计数器提供，只需采用简单的程序控制就可测得对应的经过信号预处理的或。
周期测量法：适用于低频信号。采用单片机内的一个定时/ 计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得，因此被测信号周期为。
频率测量法：适用于高频信号。充分利用单片机内的两个定时/ 计数器。一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器， 对的变化次数直接进行计数得，。 测量方法：采用周期测量法。用单片机内定时/ 计数器Timer_A 对内部机器周期计数。定时器的开关由程序根据I/O口P1.5上的状态进行控制，检测到上升沿时Timer_A 第一次计数，当紧接着的另一个上升沿被检测到时Timer_A 第二次计数。将TAR 中的两次计数值相减，则被测信号周期。
四、模拟系统调试及连调
1.调试
首先按如下框图接好电路，接着是对每个人的电路进行调试。
信号预处理电路将输入的正弦波转换成了很工整的方波，而且消去了过程中带入的毛刺，因而此电路切实可行。
2.系统连调
在程序中给定直流电动机转速，当直流电动机转速恒定时，改变负载，记录直流电动机转速变化情况和端电压变化情况。在具体实验时同步发电机初始時带十个功率为40瓦的电灯作为负载，此时转速为1025转/分。在此基础上增加和减少负载后的转速和端电压记录如下：负载（盏数）、转速（转/分）、端电压（伏特）分别未：10、12、14、16；1025、1034、1042、1050；200、210、218、226。
当给定不变、负载发生变化时，能够通过反馈回去的转速及时对电动机的转速进行调整，近而使转速在一个固定值上很小的波动，取得了很好的控制效果。
五.结束语
本文在同步发电机励磁/模拟汽门通用控制实验装置的基础上，对该实验装置进行改造，实现测频功能。
首先设计了信号预处理硬件电路，设计的过程中，改变了以往电路中的过零比较器，改用磁滞比较器，避免了输出电压在高低电平之间的反复跳变。但在实验中，输出波形带有许多毛刺，后来改用两级滤波，又经过对参数的重新计算与选取，才达到了理想效果。
软件设计方面，开始沿着测频的基本思路，但在编程的过程中，C语言的运用生硬死板，也出现了许多错误。等逐渐熟悉了编程环境，改用数组，灵活使用中断技术后，简化了程序，实现了测频功能。
总之，实现了软硬件的测频功能，是改进后的控制器达到了很好的控制效果。
参考文献
[1] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京：北京航空航天大学出版社，2002.11.
[2] 仉志华， 田咏桃， 康忠健， 陈继明， 张加胜.同步发电机励磁/模拟汽门通用控制实验装置的研制.电气电子教学学报，2005，27（2）.
[3] 刘润华，刘立山.模拟电子技术.东营：石油大学出版社，2001.8.
[4] 申忠如，郭福田，丁辉.电气测量技术[M]. 北京科学出版社，2003.