基于PLC的高速计数器设计.pdf

第 6期 总第 1 7 5 期 2 0 1 2年 l 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUT M ATI N No ．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 6 0 1 5 7 0 2 基于 P L C的高速计数器设计 葛付存 盐城 生物 工程 高等职业技术学校 电子_T - 程系 ，江苏 盐城 2 2 4 0 5 1 摘要 针对 当前工 业控制 中高速脉冲计数 的需求 ，设计 了一种 P L C控 制系统 中的高速计 数器 。首先介 绍 了 高速计数器常用的 3 种模 式，之后设计 了系统 的整体结构，并对高速计数模块和 中断控制进行 了实 现。经过 实践证 明，本系统脉 冲计数的准 确性好 ，具有较高的实用价值。 关键词 P l C；高速计数器 ；频率测量 中图分类号TP 2 7 3 文献标识码 A 1 P L C 中的高速计 数 器 高速计数器作为 P L C控制 系统 中相对独立 的功 能模块 ， 与 P L C的处理单元配合使用， 可以插在 P L C 的背板上 ， 组合后按照设定的流程不停地工作， 主控单 元 可以随 时读 取其 信 息 并对 其 工 作 状 态进 行 干 预[ 1 ] 。 其主要功能是对连接到其输入端子上的高频脉冲进行 计数并根据预先设定 的条件做 出相应的控制动作， 以 此来实现对轴的位置控制。除此之外， 高速计数模块 还具有频率测量功能 ， 能够测量输入脉冲的频率 ， 在应 用 上 可 以实现对速 率 的测量 。 高速计数器有 3种计数模式[ 2 ] 计数器模式 、 编码 器 1 模式和编码器 4模式 ， 可实现双方 向计数 、 计 数区间设定 、 计数初始值装载 、 中断 、 复位等功能 。其 中计数器模式如图 1所示 。 输入 计数 方向 计数脉冲 计数 值 f _ ]几 f - ]f _ ]几 f _ ]r ] l Z 3 4 3 Z l 图 1 计数器模式 在计数器模式下， 输入脉冲为 1 MHz以下的脉冲 信号。计数器在输人脉 冲信号上升沿到来时计数 ， 计 数方向取决于方向控制信号。方向控制信号为低 电平 时 ， 加法计数 ； 方向控制信号为高电平时 ， 减法计数。 在编码器x1 模式下， 输入信号为频率不高于 2 5 0 k Hz的脉冲信号， 但方向控制信号与输入脉冲保持 9 0 。 相位差。当输入脉冲信号超前方向控 制信号 9 0 。 相位 时， 计数器加法计数， 且在输入信号的上升沿到来时计 数 ； 当输入脉冲信号落后方向控制信号 9 O 。 相位时， 计数 器减法计数 ， 且在输入信号的下降沿到来时计数[ 3 ] 。 在编码器x 4模 式下， 输入信号 1和输入信号 2 最高允许频率 为 2 5 0 k Hz ， 保持 9 O 。 相位差 。采用倍频 实现双沿计数 ， 在输入脉冲 1的上升沿、 下降沿和输入 脉冲 2的上升沿、 下降沿到来时计数 。当输人脉冲 l 相对 于输入脉 冲 2 超前 9 O 。 时 ， 计数器加法计数 ； 反之 ， 计数器减法计数。 高速计数器利用统计输入脉冲信号在给定测频时 间段 内的脉 冲个数 ， 最 后根 据 频 率 计数 和 测 频 时 间计 算出脉冲频率 ] 。 2高速计 数 器的设计 2 ． 1 系统整体 设计 高速计数器要实现高速计数功能和测频功能， 内 部必须有专 门设计 的高速计数模块。考虑 到实际应 用 ， 系统内部可以设计两个独立工作的高速计数模块 ， 由系统分别进行控制 。除此之外， 高速计数器应具有 通信管理功能以实现和 P L C中处理单元间的数据交 换 。为了实现中断和输入输出 ， 还应该有相应的中断 控制、 存储管理以及对输入信号的滤波处理和输出信 号 的控制 等 。高速计 数器 的整 体设 计 如 图 2所示 。 2 ． 2硬件 选 型 在设计实现高速计数器的过程中， 需要确定系统处 理的信号类型、 电压电流范围等指标 ， 以便确定通道 电 路 ， 进行系统的硬件选型。本文设计 的高速计数器 ， 主 要处理工业过程控制中的增量编码器 、 光电传感器、 接 近开关等脉冲发生设备的输 出信号。目前市场上的旋 转编码器、 传感器等设备的输出信号大多为方波脉冲信 号， 信号频率在 1 MH z以下， 电压范围为 1 0 V～2 6 ． 4 V， 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 3 ；修回 日期 2 0 1 2 0 7 1 0 作者简介 葛付存 1 9 7 4 一 ，男 ，江苏盐城人 ，讲师 ，在读工程硕 士，研究方向 ；自动化控制技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2 年 第 6期 电流为 5 mA 1 0 m A。据此确定相应的输入输 出指标， 进行相应的元器件选型， 最终完成系统的硬件设计。 图 2 鬲 速 计 数 器 的 整 体 设 计 系统的两个 高速计数模 块 采用 AL TE RA公 司 E P 2 C 3 T系列 F P GA实现 ； 开发工具采用该公司的专 业 F P F A 开发软 件 Qu a r t u s I I 9 ． 0 ， 使 用 Ve r i l o g语言编 写固件程序 ， 通过专门的接口芯片下载到 F P G A 中。 2 ． 3 高速 计数模 块 设计 高速计数模块 需要 实 现 3种 模 式 的计 数 功能 和频 率测量中的脉冲累计功能 ， 并且应该实现载入计数初始 值 计数器可以从该初始值而不是从零开始计数 、 计数 翻转 计数值达到翻转值时， 计数值 回复到零重新开始计 数 、 输出计数值等功能。高速计数器软件流程见图 3 。 咂 ◇ ● 一 计数器模式 编码器1 模式 编码器X4 模式 频率测试 1 1 七 ．，。 L l J 籼 ＼ 孽 ／ 上Y l 脉 冲 输 出 l 图 3 高速计数器软件流程图 当收到一个输入脉冲信号时 ， 计数器根据组态设 定的计数模式进行计数并根据相应的触发条件确定计 数方向是增加还是减少 。进行频率测量时， 计数器将 累计在设定的测频时间 内收到的脉冲信号 ， 并在测频 时间结 束 时输 出相应 的脉 冲累计值 。 2 ． 4 中断控 制 设计 中断控制器根据组态参数选择相应的中断发生类 型， 当计数值达到设定的中断发生值时 ， 发出中断信号 并根据发生条件进行中断标志位的置位和复位。中断 控制 软件流 程见 图 4 。 圈 4中 断 控 制 软 件 流 程 图 高速计数模块通过组态参数确定采用哪一种 中断 模式 。当计数值达到设定 的中断发生值时， 模块对 中 断发生标志置位 ， 输出中断； 也可以是 当外部的某一信 号达到中断发生条件时触发中断。模式 3可以视为屏 蔽 中断 。 3 结 论 本文对 P L C控制系统中使用的高速计数器进行 设计 ， 其关键是信号输入通道的设计和 高速计数模块 的实现。本文利用此方法设计实现的高速计数器经测 试能够满足工业控制应用的高速脉冲计数要求 。系统 采用 高性 能 F P GA， 体积 小 、 功 耗低 ， 并且 具有 良好 的 扩展性， 通过对 F P G A 固件程序的升级 ， 可以轻松实 现对该系统功能的改进且无需进行任何的硬件更改。 参考文献 [ 1 ] 袁俊泉． Ve r i l o g HD L数 字系统设计 及其应 用[ M] ． 西安 西安 电子科技大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 候 伯亨． 硬 件描述 语言 与数字逻 辑 电路 设计 [ M] ． 西安 西安 电子科技大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． E 3 ] 何希才 ， 虹敏． 传感器应用接 口电路[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 4 ] 周义． P L C应用开发 技术 与工程实 践[ M] ． 北京 人 民邮 电 出 版社 ， 2 0 0 5 ． De s i g n o f Hi g h 。 s p e e d Co u nt e r Ba s e d o n PLC GE Fu - C U l l De p a r t me n t o f El e c t r o n i c En g i ne e r i n g，Ya n e he n g Bi o l o g i c a l En g i n e e r i n g High e r Vo c a t i o n a l Te c hn ol o g y S c h o o l ，Ya n c h e n g 2 2 4 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e c u r r e n t d e ma n d o f h i g h s p e e d p u l s e c o u n t i n g i n i n d u s t r i a l c o n t r o l ，t h i s p a p e r d e s i g n s a h i g h - s p e e d C o u n t e r i n PI e o n t r o l s y s t e m． Fi r s t l y ，t h e p a p e r i n t r o d u c e s 3 mo d e s f r e q u e n t l y u s e d i n h i g h - s p e e d e o u n t e r ，a n d t h e n d e s i g n s t h e i n t e g r a l s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m ，a n d i mp l e me n t s h i g h s p e e d c o u n t i n g mo d u l e a n d i n t e r r u p t c o n t r o l l i n g ．Th e f a c t p r o v e s t h a t t h e s y s t e m h a s hi g h p r e c i s i o n o f p u l s e c o u n t i n g a n d p r a c t i c a l v a l u e ． Ke y wo r d s P LC；h i g h s p e e d c o u n t e r ；f r e q u e n c y me a s u r e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m