脉冲信号采集技术优化方案

采集脉冲信号，小型机用高速计数器或功能块，中、大型机用高速计数单元。此外，还可用外中断及定时中断。只是后两者所采集的频率要低些。

1.用高速计数器或功能块采集

小型PLC多有可处理脉冲量的I/O点。西门子S7-200、三菱的FX机以及和利时LM机情况也类似。以下将以欧姆龙的CP1H、西门子的S7-200、三菱的FX2N以及和利时LM机为例，对其做简要介绍。

（1）CP1H机高速计数输入

1）高速计数模式。可按不同特点分类：

①以计数信号分有4种：

a）两相输入。数据用A、B两相，复位用Z相。输入脉冲来自编码器。

b）脉冲+方向输入。使用方向信号输入及脉冲信号输入，根据方向信号的状态（OFF/ON）将计数值相加或相减。

c）加减脉冲输入。有2个输入点，1个输入正向脉冲、增计数，1个输入反向脉冲、减计数。

d）单相输入。单相输入仅用一个脉冲输入端。有脉冲入，计数值即增加。

②以计数范围分有：

a）线性模式。在下限（-2147483648）与上限（2147483647）值之间计数。初始从计数从0开始。如超过上限，则溢出；如低于下限，则下溢。溢出、下溢后都停止计数。如果为加法模式计数，则下限为0，上限为4294967295（FFFFFFFF）。

b）环形模式。在设定范围内对输入脉冲进行循环计数。如加计数，到最大值，则归0后再继续计数。如减计数，减到0，则先变为最大值，再继续减计数。

③以复位方式分有：

a）软复位。高速计数器复位标志OFF→ON时，将高速计数器当前位置复位。但要在赶上I/O刷新，即1个扫描周期后，才能实现复位，

b）Z相信号+软复位。高速计数器复位标志为ON的状态下，Z相信号（复位输入）OFF→ON时，将高速计数器当前值复位。常用于对编码器做多圈计数的场合。此外，还可选定复位后高速计数器比较是否继续。

2）高速计数特性。CPIH机有X/XA（内嵌有模拟量输入输出点）及Y型机。其高速计数特性及使用内存区见有关说明书。这里略。

图3-1 高速计数器设定画面

3）高速计数器使用。首先要做好设定，确定计数模式、计数范围及复位方式。其次，要做好接线。最后，编写及调试程序。

①设定。用编程软件CX-Programmer，在设定窗口的「内置输入设置」画面上（见图3-1），对高速计数器0～3进行设定。设定后下载给PLC。

从图3-1知，在该画面上可对是否使用高速计数，以及使用的计数模式、输入模式及复位方式进行设定。设定的范围见表3-1。

表3-1 高速计数器设定范围

②接线。图3-2所示为CP1H机高速计数器输入点布置图。如高速计数器0，其输入点为08、09、03点。其接线按图示接。

图3-2 CP1H机高速计数器输入点布置图

图3-3所示为使用欧姆龙E6B2-CWZ6CNPN开路输出的编码器与PLC输入点接线。用的24V直流电源。

③编程。要在主程序中调用处理高速计数的相关指令。同时还要编写高速计数中断服务程序。以下介绍编程所用的相关指令及程序实例。

图3-3 E6B2-CWZ6C编码器与PLC输入点接线

a）高速计数处理相关指令。有INI（动作控制）、PRV（当前值读取）、PRV2（频率转换）及CTBL（表比较）4个指令。

INI指令。可进行如下动作控制：开始或停止高速计数器比较，变更高速计数器当前值，变更中断计数输入当前值。此外，还可控制脉冲输出。其梯形图符号如图3-4所示。

图3-4 INI指令

这里，C1指定输入或输出端口，十六进制数0000为脉冲输出0、十六进制数0001为脉冲输出1、十六进制数0010为高速计数器0、十六进制数0011为高速计数器1、十六进制数1000为PWM输出0、十六进制数1001为PWM输出1等（具体因PLC型号而变）。C2为控制字，十六进制数0000为开始比较，十六进制数0001为停止比较，十六进制数0002为待变更的当前值，十六进制数0003为停止脉冲输出（在脉冲输出停止状态下将清除脉冲量设定）S、S+1两个字用以存储待变更的当前值。不是变更功能设为十六进制数0000，不使用。

PRV指令。主要用以读取高速计数器及脉冲输出当前值、频率、状态（是否溢出、是否进行比较）及比较结果。梯形图符号如图3-5所示。

这里，C1指定输入或输出端口，同指令INI。D、D+1两个字用以存储读取值。C2为控制字，0000H为读取当前值，0001H为读取状态，0002H为读取比较结果，00□3H为读取脉冲频率（□=0，通常方式，□=1，10ms采样方式，□=0，100ms采样方式，□=0，1s采样方式）。通常方式用每个脉冲计数时间的计数进行计算。但在高频时，脉冲上升沿/下降沿失真会引起误差（参考：100kHz中最大为1%的误差。1MHz时的最大误差为（5%））。指定时间采样方式是用测量一定时间（采样时间）内的计数脉冲，计算频率。可选择3个时间，即具体为10ms、100ms及1s（计算该时间内的脉冲数）。

PRV2指令。把读取高速计数器中脉冲频率转换成转速，或把高速计数器的当前值转换成累计旋转数，并用8位十六进制数存储。但只能在高速计数器0中使用。其梯形图符号如图3-6所示。

图3-5 PRV指令

图3-6 PRV2指令

这里，C1指定转换项目，十六进制数1为当前值到累计旋转数转换，十六进制数0#∗0为频率旋转速度转换，其中#指定转速单位、∗指定频率计算方式。C2指定系数。D、D+1两个字用以存储转换结果值。

CTBL指令。用以登记与起动高速计数器当前值与设定值比较。本指令执行一次即有效。其梯形图格式如图3-7所示。

这里，C1指定输入或输出端口，0000H为高速计数器0、0001H为1、0002H为2、0003H为3。C2为控制字，0000H为登录并起动目标值比较、0001H为登录并起动目标范围比较、0002H为登录目标值比较、0003H为登录目标范围比较。S开始的若干字用以存储有关比较参数。

图3-7 CTBL指令

如果为目标值比较，这里S开始的若干字含义为：S指定多少个比较目标值，可在0001H～0030H之间选取。

每个目标值比较固定占用3个字。第1个、第2个字为比较目标值，可以在0000H～FFFFH之间选取。如使用多个目标值比较，这些目标值不能相同。同时，不能把计数的上下限值作为目标值。第3个字指定增或减计数有效及中断任务号。其中高字节的最高位指定增、减计数有效，0增计数有效，1减计数有效；低字节指定中断任务号，可在00H～FFH之间选取。

增减计数有效含义为，如设定增计数有效，只要高速计数器当前值增加到与目标值相等，则激发所指定的中断任务。如设定减计数有效，只要高速计数器当前值减少到与目标值相等，则激发所指定的中断任务。

这个目标值比较设定有多少字，取决于在S中指定。最多可扩展到S+142～S+144。

如果为目标范围比较，固定使用S～S+39共40个字。每个目标范围比较固定占用5个字。所以最多可进行8个范围比较。这5个字的含义为

第1个、第2个字为比较范围下限，可以在0000H～FFFFH之间选取。第3个、第4个字为比较范围上限，可以在0000H～FFFFH之间选取，但必须大于下限。第5个字指定中断任务号。只要高速计数器当前值落入比较范围（含上、下限值），则激发所指定的中断任务。中断任务号，可在00H～FFH之间选取。

如果不进行那么多比较，可把不进行比较的中断号设为FFFFH。

b）程序实例。

图3-8 读脉冲频率程序

例1：图3-8为读脉冲频率程序。当0.01为ON时，执行PRV指令，在该状态下读取输入到高速计数输入0中的脉冲频率，由十六进制数输出到D201，D200中。

提示1：这里的C1、C2值，输入数字前要加“#”号。但早期机型不加“#”。以下各指令也类似。

提示2：欧姆龙CP1M机有更强的脉冲信号处理功能，可专用于运动控制。

例2：图3-9a为2个目标值比较程序。当0.00由OFF到ON时，执行CTBL指令，登录与起动比较。设定参数如图3-9b所示。从图知，本例设定为2个比较数。目标值分别为1F4及3E8H。对应的中断程序为1与2。中断程序的具体内容略。

图3-9 读脉冲频率程序

提示：以上只是对指令的概要介绍。细节多与PLC型号、版本有关，可参阅有关说明书。建议在指令使用前最好先做些测试。

（2）S7-200机

S7-200机可使用于高速计数器与CPU 的具体型号有关。如CPU 221和CPU 222支持4个，即HSC0、HSC3、HSC4和HSC5。而CPU 224、CPU 226和CPU 226XM支持6个，从HSC0～HSC5。实际使用时，其地址的前缀为HC。每个计数器占4个字节，低字节存低位数，高字节存高位数，计数范围从-2147483648～1147483647。计数是循环增、减，如增计数，增到2147483647时，再加1，变为-2147483648。再增，则在此基础上增；减计数，减到-2147483648时，再减1，变为1147483447。再减，则在此基础上减。

计数器有12种计数模式。但不是所有计数器都支持这些模式。具体的计数模式及所使用的输入点，见表3-2。

表3-2 计数模式与计数输入点

在进行高速计数前，要用高速计数定义（HDEF）指令，先对选用哪个计数器，以及对其模式进行设定。对每个计数器，这个指令只是在第1次执行时有效。这意味着，模式一旦选定，中途无法改变。

高速计数要用到有关特殊存储器，从SM36～SM65（分别为HSC0～HSC2所用）及从SM136～SM165（分别为HSC3～HSC5所用）。这些存储器有的用做反映计数状态，有的用做进行计数控制（增、减计数及现值、设定值改变）。其中用于HSC0特殊存储器的功能见表3-3。这里SMB37用以控制计数器工作，而SMB36反映计数器工作状态。其它计数器用的只是按编号依次对应变化。

为了实现高速计数，还要执行一次HSC指令。其目的是使特殊存储器的设定生效，并使指定的计数器（本指令的操作数）做好计数准备。但，此指令不能连续执行，那样也不计数。

表3-3 HSC0用特殊存储器

S7-200高速计数有的模式可用硬件复位，但不能用软件复位。如需要软件复位，可先对存储新现值特殊存储器，如HSC0用SMD38，赋值，再通过特殊存储器的控制位，如HSC0用SM37.6，设定，并再执行一次HSC指令，以把这新现值传给它。如果这个新现值是0，即实现了复位。(www.xing528.com)

提示：S7-200机要按要求，用HDEF指令做好初始化选定，并用HSC指令做好初始化高速计数器调用，则可进行脉冲采集。采集的脉冲数以十六进制格式，存于高速计数器中。但不能连续进行这个调用，那样，将不进行脉冲采集。

（3）FX2N机

FX2N机可使用X000～X005共6个点，对C235～C255共21个高速计数器进行不同模式的计数。表3-4所示为这些点与这些计数器间的可能组合。

表3-4 FX2N机高速计数器与输入点的可能组合

如表3-4所示，用X000点，可对C235、C241、C244进行（U/D）增、减计数（是增、是减？由相应特殊继电器控制）；对C246、C247、C249进行（U）增计数；并可做两相计数器C251、C252、C254的A相输入。但一旦选定一种，就不能再用于另一种。表中R为硬件复位输入端。如无硬件复位输入端的，可与普通计数器一样，通过执行RST指令进行复位。表中S为硬件允许高速计数输入端。有此输入端的，只有此输入ON，才能进行计数。

表3-5所示为1相1计数输入时控制计数方向用的特殊继电器。

表3-5 1相1计数输入时控制计数方向用的特殊继电器

如表3-5所示，如使用高速计数器C235，则用M8235控制计数方向。M8235OFF，增计数，ON，减计数。其它的类似。

表3-6所示为计数输入时检测实际计数方向用的特殊继电器。

表3-6 计数输入时检测实际计数方向用的特殊继电器

如表3-6所示，如使用高速计数器C246，若它进行增计数，则M8246OFF，若减计数，则ON。其它的也类似。

与CP1H、S7-200不同是，FX2N高速计数，除了以上初始化工作完成后，还必须用像普通计数器一样，用输出指令调用，否则不计数。

提示1：FX2N机要按要求做好选定，并在程序运行中调用高速计数器，才能进行脉冲采集。采集的脉冲数以十六进制格式，存于高速计数器中。停止调用，脉冲采集也停止。

提示2：用高速计数功能块采集脉冲，只是采集数据是中断的。要实现计数值的中断处理，得要做好相关中断事件选定，中断服务程序指定及处理程序编写。但它自身不生成中断事件。

（4）和利时LM机

和利时LM机可单相或双相采集，也可用中断采集。

1）单相脉冲信号采集。对和利时LM机，单相脉冲信号采集可以使用的功能块有4个，即

（a）HD_CTUD_T2，16位高速可逆计数功能块。脉冲输入为%IX0.0，增减控制为%IX0.1。

（b）HD_CTUD_T3，16位高速可逆计数功能块。脉冲输入为%IX0.2，增减控制为%IX0.3。

（c）HD_CTUD_T4，16位普通可逆计数功能块。脉冲输入为%IX0.4，增减控制为%IX0.5。

（d）HD_T7_CTU，16位高速增计数功能块。输入点用%IX0.6。

2）两相脉冲输入量采集。两相高速脉冲输入可以使用的功能块有4个，即

（a）HD_DCTUD_T2，16位高速可逆计数功能块。A相脉冲入为%IX0.0，B相脉冲入为%IX0.1，清零用%IX0.6。

（b）HD_DCTUD_T3，16位高速可逆计数功能块。A相脉冲入为%IX0.2，B相脉冲入为%IX0.3，清零用%IX0.7。

（c）HD_DCTUD_T4，16位普通可逆计数功能块。A相脉冲入为%IX0.4，B相脉冲入为%IX0.5，清零用%IX0.0。

（d）HD_DCTUD32_T3，32位高速可逆计数功能块。A相脉冲入为%IX0.2，B相脉冲入为%IX0.3。使用它时，HD_DCTUD_T3、HD_DCTUD_T4不能使用。

两路高速脉冲输入量的相位不同，但是频率应该相同，并且以相位决定计数方向。

2.利用内置定时中断采集

如果要计算所采集的脉冲频率怎么办？可采用内置定时中断。

1）如欧姆龙CPM2A机无直接计算所采集脉冲频率的指令，但有定时中断指令，可利用其计算所采集的脉冲频率。定时中断指令，其梯形图格式如图3-10所示。

图3-10 STIM指令

图3-10中C1为控制码，取值000（一次性定时开始），003（周期性定时开始）时，C2为定时时间间隔，C3（BCD码）代表将调用的子程序号；取值006（读定时器现值）时，C2、C2+1及C3存定时器开始定时后已过去的时间及相应单位，见以下注3；取值010（停止定时）时，C2、C3没有用，但需设为0。

注1：C2可以是常数，BCD码格式，取值可从0000～9999，单位毫秒（ms）。但取值为0000时，等于不进行定时中断。C2也可以是地址，要占两个字。低字（C2）代表定时值，BCD码。高字（C2+1）为定时单位，也为BCD码。取值只能在0005～0320之间，单位为0.1ms；即所可能设的单位可以在0.5ms～32ms之间。

注2：STIM也是减计数计时，计时开始，STIM现值为设定值，进而每经历一个计数单位，其现值减1。当现值减到0时，将调以C3编号的子程序。同时，如C1设为003时，STIM的现值又返回到设定值，并重新开始计时。

注3：当C1=006，读定时器现值时，C2存的为定时器已过去时间数，C2+1存的为时间数的单位，都是BCD码。C3存的也为定时器已计过的时间数，BCD码，但其单位为0.1ms。而计算从最后一次计时开始，真正已过去的时间为

{（C2的值）×（C2+1的值）+（C3的值）}×0.1ms

图3-11a所示为起动周期定时中断程序，在PLC第一个扫描周期时执行。其含义是，定义一个定时值为250ms的，周期工作的，内部定时中断程序。每当定时到，即调子程序1。

图3-11b所示为计算脉冲频率子程序1。这里用的是符号地址。每执行一次本子程序，将把通道248、249的值，传送给“BCD码脉冲频率”，然后特殊继电器252.00ON，把高速计数器复位（仅用软件复位），为新一轮计数做准备。由于定时中断子程序是每250ms执行一次，显然，这里“BCD码脉冲频率”中的值乘4即为所求的脉冲频率。

2）S7-200定时中断。S-200有两个中断定时器，Time_0_Intrv1及Time_0_Intrv2。其时间间隔分别用SMB34及SMB134设定。设定单位为毫秒，在1～255间取值。即最短时间间隔为1ms，最大为255ms。

为了实现定时中断，还要启动有关使用中断的指令。图3-12所示为S7-200脉冲采集及定时中断计算脉冲频率程序。

图3-11 定时中断及计算脉冲频率程序

图3-12 频率采集及定时中断计算脉冲频率程序

图3-12a是高速计数初始化程序，可知高速计数用的是HC0，模式为0，增计数，计数器初值设为0。图3-12b是定时中断初始化程序，可知定时中断用定时器0，时间间隔为250ms。关联的子程序为INT0（中断事件10为定时时间到）。图3-12c是定时中断子程序INT0，执行它，只是把HC0的值传给VD10，同时把SMD38的值（从初始化程序知，它为0）传给HC0，使HC0复位，使它又可从0开始计数。显然，这里VD10中的值乘4即为所求的脉冲频率。

3）FX2N也可定时中断。同时可直接用SPD指令直接计算所采集的脉冲频率。FX2N有3个定时中断定时器，I6～I8，见表3-7。

表3-7 FX2N定时中断

表中I6～I8后两个小方框，表示定时中断时间间隔，允许从10～99，时间单位ms。即间隔只能在10ms～99ms间选取。为了实现定时中断，还要起动有关使用中断的指令（EI）。图3-13所示为FX2N脉冲采集及定时中断计算脉冲频率程序。

图3-13 FX2N脉冲采集及脉冲频率计算程序

图3-13a为主程序，要先执行EI指令，允许定时中断。X012ON将调用高速计数器C235。X011ON将使高速计数器C235复位，并停止计数。X010ON，高速计数器C235为减计数，而OFF，为增计数。

图3-13b定时中断子程序。它的标号为I650，表示用定时器I6，而定时时间间隔为50ms。这意味着每50ms执行一次这个子程序。执行它的功能是，把C235的当时值传送给D100、101（MOV的前缀为D，双字传送），并使C235清零。显然，这里D100、101存的就是每50ms采集的脉冲数。此值乘20即为脉冲频率。

图3-13c为使用SPD指令的程序。SPD指令中的X000为脉冲输入点。K250为时间间隔，单位ms。D0为在此时间间隔中所采集的脉冲数。因为这里的K值设为250，即时间间隔为250ms，显然，如果把这里的D0值乘4，则将是所计算的脉冲频率。指定目标字D0后，其后的D1、D2也将被指令占用。D1计即时采集的脉冲，时间间隔到时，它的值自动传给D0，并清零。D2存的是时间间隔的剩余时间。

提示：同一输入点，如用作高速计数，则不能再用作测量脉冲频率。如图3-13，要么用a、b，要么用c。两者都用是不成立的。

4）和利时LM机也利用内置定时中断采集高速脉冲输入。之前要调用功能块HD_TIMER_T7。

3.利用外部中断采集

不少PLC配置有外部中断的输入点。也可利用它采集脉冲数据。如和利时LM机，可使用功能块Fast_ExINT及Fast_ExINT_E。前者输入点为%IX1.0、%IX0.7、及%IX0.6。后者还增加了%IX1.1（对应中断事件为Fast_External0）。但外中断所能采集的频率不如高速计数器高。

4.用高速计数单元、模块或内插板采集

脉冲信号也可用高速计数器单元、模块或内插板采集，特别是多数中、大型机，一般没有内置高速计数器，也没有相关指令，更应如此。

高速计数单元、模块或内插板都有自己的输入、输出点，而且是智能化的，有自己的CPU，可独立进行中断计数、比较，并产生中断输出。PLC的CPU只是用于：与其进行数据交换及对其计数进行起、停控制。

这些单元、模块或内插板很多，而且可以说是与日俱增。不同的PLC有不同的型别与规格，可与相应PLC配合使用。

高速计数单元、内插板有单路的，两路的，以至多路的，分别可处理单路，两路及多路的高速计数。它的性能也都比内置高速计数器高。其计数频率可高达几十、几百Hz，以至于更高。计数范围多为两字长十六进制数。

高速计数单元、内插板的计数模式都较多。可运用软、硬件设定，选用合适的计数模式。

在采集脉冲信号的原理上，这些单元或内插板基本上都是相同的。都是用自身的脉冲采集用中断，输入点采集脉冲，然后存入内部存储器。但在具体使用上，则随型号的不同，多有差别。一般要做的工作如下：

1）高速计数模块类型较多，要选合适的类型。

2）计数模式也很多，也要选用合乎实际需要的。

3）进行硬件设定。这要根据不同厂商、不同型号做不同处理。

4）正确安装及接线。

5）进行参数设定。不同的输入模式、计数模式，或相同的输入模式、计数模式而情况不同，参数的设定也都不可能完全相同。

6）选用命令及使用好标志，正确编制梯形图程序，使高速计数单元实现所要求的功能。除了编好使用程序，还应编写一些出错指示及进行诊断以确定出错地址（点）和出错性质的监控与诊断程序。由于高速计数单元工作频率高，工作过程也较复杂，为了工作可靠，对其进行监控及简单的诊断是必要的。