引言

回转窑是广泛应用于水泥、建材、冶金等行业的关键设备，在我国国民经济中发挥着重要作用。回转窑主要由筒体、支承装置和传动装置三大部分组成，筒体直径为1.8～6 m,长度为24～120 m，转速为3~4 r/min。

回转窑的生产特点是长期在多支承点上连续运转，窑轴线的准直度是保证回转窑长期运转的重要条件。但回转窑在运转一段时间后，由于基础墩的不均匀下沉、托轮调节不当、支承件的磨损等因素，都会破坏原来窑轴线的直线度，进而加剧设备的磨损，严重的会使托轮轴和筒体产生裂纹，甚至导致红窑等事故的发生，同时也会产生巨大的经济损失。因此，对回转窑进行监测是十分必要的。

在回转窑轴线监测过程中，回转窑周期测量和支撑处截面的径向变动测量是其中很主要的两个方面。而在测量时，通常用霍尔元件对回转窑的周期信号进行测量，该信号频率通常为0.05~0.067 Hz，属于低频的脉冲信号，而支撑处截面的径向变动测量则通过位移传感器进行测量，该信号频率通常为11~15 kHz，属于高频信号。

在信号周期测量中，捕捉功能因其精度高、稳定性好而广泛应用于高频信号的周期测量。然而对于低频信号，由于存在定时器溢出的问题，因而捕捉功能很少应用，并且这方面的文章也非常少。本文通过利用总定时器溢出计数和输入捕捉功能实现了对频率范围相差很大的两路高、低频信号的同时测量。

1 TIM模块及其捕捉功能

(1) 自由运行主定时器

TIM模块有一个16位自由运行主定时器,其工作频率决定输入捕捉/输出比较的分辨能力。

(2) 输入捕捉功能

TIM模块具有8个输入捕捉/输出比较(IC/OC)通道IOC0～IOC7，对应于端口PT0～PT7。由于输入捕捉与输出比较通道共享引脚、通道寄存器和中断逻辑，因此，每个通道同一时刻只能启用其中一个功能，可以通过设置定时器输入捕捉/输出比较选择寄存器TIOS中的IOSn位，选择输入捕捉/输出比较功能。

当通道设置为输入捕捉功能时，自由运行定时器启动后，边沿检测器开始监视引脚事件，一旦引脚电平出现设定的有效跳变，便将自由运行计数器寄存器TCNT的当前值捕捉到捕捉寄存器TCn（n=0～7）。

有效跳变边沿可以是上升沿、下降沿或任意跳变，由定时器控制寄存器TCTL3和TCTL4中的EDGxB和EDGxA位确定。也可设置位EDGxB:EDGxA=00，关闭边沿检测器，停止通道捕捉。

捕捉完成后，将置位主定时器中断标志寄存器TFLG1中的中断请求标志位CnF，如果定时器中断允许寄存器TIE中的中断允许位CnI=1，且CCR寄存器中的控制位I=1，则产生一次输入捕捉中断申请，然后转向TCn中断服务程序。

(3) 捕捉功能相关寄存器

① 定时器/计数器系统控制寄存器1（TSCR1）:TSCR1 寄存器是定时器模块的总开关，可在任何时候读或写。它决定TIM模块是否启动以及在中断等待、BDM 方式下的行为，还包括标志的管理方式等。

② 计时器系统控制寄存器2(TSCR2)：TSCR2寄存器通过TOI、TCRE、PR2、PR1、PR0判断TCNT中断是否溢出，决定TCNT的工作模式以及总线时钟的预分频因子。

③ 控制寄存器（TCTL1～TCTL4）:TCTL1～TCTL4 分为两组，分别对IC 和OC 电路进行设定，每组16 个二进制位，每两个二进制位管理一个通道。其中TCTL1、TCTL2 设定各个OC 通道匹配时的动作，包括切断OC 与输出引脚的联系，而TCTL3、TCTL4 设定IC 响应引脚的各种动作，包括禁止IC 的响应，可在任何时候读或写。

④ 主定时器中断标志寄存器(TFLG1、TFLG2)：其中TFLG1 对应8 个IC／OC 通道，当某CnF=1 时说明对应的IC／OC 通道有动作，表明该通道有中断事件发生。TFLG2 只有一个标志位TOF，作为核心计数器的中断请求标志。当TOF=1 时说明核心计数器溢出。要清除某个标志位，只需向该位写1，向某位写0 不影响该位的状态。当TSCR 中的TFFCA 位置位时，读IC 通道或写OC 通道将自动清除该通道标志CnF（CnF为IC／OC 通道中断请求标志），对TCNT 的任何访问将自动清除TFLG2。

⑤ 计时器中断使能寄存器（TIE）:TIE 寄存器中的位与状态寄存器TFLG1 中的标志位相对应。如果将TIE 中的某位清0，相应的标志位就不能引起硬件中断。如果被置1，相应的标志位就可以引起中断。通过CXI中的“X”实现中断使能（CXI为C0I～C7I）。

⑥ IC／OC 选择寄存器(TIOS):TIOS 寄存器用于指定各个通道的功能，即工作于IC 还是OC 方式。当某位IOSn=0 时，对应的通道n 为输入捕捉(1C)通道；否则通道n为输出比较(OC)通道。其中的各位可以在任何时候写入或读出。

⑦ IC／OC 寄存器(TC0～TC7)：每个IC通道都设置有一个16 位的寄存器，对于IC输入捕捉通道，当通道的边沿探测器检测到由EDGnA、EDGnB指定的条件时，将自由定时器的值捕捉到寄存器TCn，随后程序可以读取和处理。

⑧ 定时器核心寄存器(TCNT):TCNT 是递增计数器，它不停地对内部时钟信号计数，程序可随时读取，但在普通模式下禁止写入。TCNT 应按字访问。

2 回转窑周期测量与截面径向变动测量

通常回转窑周期测量采用霍尔元件，而对支撑处截面的径向变动测量则采用位移传感器。在测量完回转窑周期之后，等待霍尔元件的同步信号到来后，将周期64等分，分别测得一个周期内64个相位的不同位移值，通过位移值反映回转窑筒体截面径向变动情况。其测量原理如图1所示。

图1 回转窑周期测量和支撑处截面的径向变动测量原理

为了便于说明，在测量过程中，选用A3144霍尔传感器对回转窑周期进行测量,霍尔传感器采用西安兰华传感器厂生产的BWG系列电感调频式位移传感器，该传感器测量范围为-25~25 mm，对应的输出信号的频率值为11～19 kHz，且两者之间为线性关系。位移s与频率f之间的对应关系如下：

s=(25×f-175)/4

其中，f单位为kHz,s的单位为mm。由于回转窑转速在3~4 r/min，因此霍尔元件的输出信号是低频脉冲信号，而位移传感器的输出信号却为高频脉冲信号。对于高频信号，MC9S12XS128的捕捉功能非常容易实现，但是对于低频信号，由于总定时器会有溢出现象，导致脉冲捕捉的时刻并非脉冲的周期，因而，靠单一的捕捉功能无法对低频信号进行测量。

为了解决该问题，采用在总定时器中设置一个计数变量的方法，在进行测量之前将总定时器计数清零，然后将低频脉冲捕捉时刻相减后，加上定时器总的溢出时间即为低频脉冲信号的周期。硬件芯片采用MC9S12XS128，将低频信号接入PT0口，高频信号接入PT1口。

3 系统软件流程设计

根据测量原理，程序首先进行回转窑周期的测量，在测量完回转窑周期之后，等待霍尔元件的同步信号到来，然后将周期分成64等分，分别测量和存储该周期内64个相位的不同位移值。软件流程图如图2～图3所示。

图2 主程序流程图

图3 通道0中断流程图

图4 通道1中断流程图

编者注：源程序见本刊网站www.mesnet.com.cn。

结语

其捕捉功能精度高，可靠性好，对高频信号周期测量十分方便，但对低频信号就会存在溢出问题，导致单一的捕捉功能无法对低频信号进行测量。本文通过捕捉功能和总定时器溢出中断处设置计数变量的方法，实现了对高、低频信号的同时测量。