本發(fā)明涉及電源特性測試技術領域，具體地說，是設計研制一種基于arm架構的電源信號采集特性提取裝置。

背景技術：

電源品質特性對用電設備具有非常重要的影響，當電源品質特性較差時，電源中存在的諧波、脈沖或過壓、過流、欠壓、欠流等會對用電設備造成很大影響，甚至對用電設備造成不可修復的損毀。因此，對電源特性的檢測是國標、國軍標等多種標準規(guī)定的必測項目。特別是對于飛機、輪船、汽車等通過發(fā)動機帶動發(fā)電機供電的系統(tǒng)，其電源品質特性更需要進行全面測試，以保證電源的可靠性和用電設備的使用安全。目前，使用萬用表、示波器等常規(guī)設備進行電源品質特性檢測，存在普通參數檢測不精確，對瞬變高壓、過流和特殊參數無法檢測等限制。

與本發(fā)明相關的專利：

1)基于arm架構的opc嵌入式遠程數據采集系統(tǒng)及方法—201210562270.2，103064382b；

2)一種基于arm架構的智能安防服務器控制系統(tǒng)設計方法—201610475971.0；

3)多功能信號采集儀—201610194634.4；

4)信號采集電路—201310668365.7；

5)開關信號采集系統(tǒng)—201210415158.6；102963316b；

6)信號采集和驅動的測試裝置—201110452455.3；102539967b；

基于arm架構的數據采集系統(tǒng)和信號采集電路/信號采集系統(tǒng)已經有許多類似的專利，以上列出的是與本發(fā)明相關程度較高且具有代表性的專利。目前，現(xiàn)有技術主要存在的缺點主要有：

(1)應用范圍較?。焕纭岸喙δ苄盘柌杉瘍x”和“開關信號采集系統(tǒng)”都是只能用于測量頻率范圍不超過1mhz的低頻信號，并且采集測量的信號樣式和信號強弱都有相應的限制。

(2)功能較為單一；例如“信號采集和驅動的測試裝置”只對特定樣式和類型的信號能夠進行采集，并只能夠對特定的驅動器進行驅動處理，功能相對比較單一。

(3)自動化程度不高，技術完成度和完整性較低；例如“基于arm架構的opc嵌入式遠程數據采集系統(tǒng)及方法”和“一種基于arm架構的智能安防服務器控制系統(tǒng)設計方法”都需要在使用時按照專利說明搭建測試環(huán)境，并要根據專利說明重新按照測試方法對系統(tǒng)進行配置后才能使用。

(4)對測試精度沒有具體的指標要求。本發(fā)明列舉的幾個相關專利，包括其他類似專利，在專利中對于測試精度的指標都未提及。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，針對上述電源品質特性檢測需求，提供一種基于arm架構的電源信號采集特性提取裝置，自動化和完整度高，具有較高的測量精度，能夠直接應用于工程試驗中。

本發(fā)明技術解決方案：一種基于arm架構的電源信號采集特性提取裝置，包括：主控模塊、電源模塊、傳輸模塊、信號采集模塊轉換模塊、存儲模塊和顯示模塊；

主控模塊，實現(xiàn)對電源模塊、傳輸模塊、信號采集模塊、存儲模塊和顯示模塊的協(xié)調控制管理；由arm芯片和外圍輔助電路構成，外圍輔助電路根據主控模塊需要實現(xiàn)的功能并配合arm芯片設計，通過外圍輔助電路，arm芯片完成對其他模塊五個的協(xié)調管理；主控模塊的arm芯片內嵌有數據處理和協(xié)調管理的算法，所述數據處理和協(xié)調管理算法包括各個模塊之間的通信協(xié)議，顯示操作界面和數據計算處理方法，計算采用電源采集提取裝置采集得到的信號數據進行修正的算法；測試結果修正算法首先采用最小二乘法和插值擬合結合的方法進行計算，得到典型的、能夠反映信號真實狀態(tài)的信號數據，然后再對這些數據進行二次擬合計算，該算法是軟件的核心部分，能夠滿足電源信號處理的功能；作為軟件部分，所述算法通過編譯器直接將代碼嵌入主控模塊的arm芯片，所述算法既可以根據用戶需求修改和定制，也可以為固化代碼模塊，根據不同使用需求選擇合適的代碼進行編譯并嵌入主控模塊的arm芯片；

信號采集轉換模塊，采集經過調理轉換為±10v的電源模擬信號，然后通過d/a芯片將采集到的模擬信號轉換為數字信號，并將轉換后的數字信號傳輸到主控模塊進行數據處理；

存儲模塊，作為數據存儲部分，將經過主控模塊處理的數據存儲起來，由主控模塊通過指令隨時調用存儲的數據，存儲模塊可根據指令，將存儲的數據通過主控模塊和傳輸模塊傳到外部存儲設備，如u盤或者移動硬盤燈存儲設備中；

傳輸模塊，實現(xiàn)數據內部和外部的相互傳輸；通過指令協(xié)議由主控模塊協(xié)調控制，將需要的數據傳輸到外部設備中，如u盤或者移動硬盤燈存儲設備，同時將外部設備的信息可以傳輸至主控模塊中，信息可以在外部存儲設備的本發(fā)明裝置之間相互傳輸；

電源模塊，作為供電部分，完成對外部220v交流供電的電能轉換，將外部電源信號轉換為該裝置使用的直流15v電源信號，電源信號經過開關電源換后再通過主控電路板的穩(wěn)壓源，實現(xiàn)對整個裝置所有模塊的供電；

顯示模塊，包括液晶屏和外圍輔助電路構成，根據用戶的需要，通過主控模塊編譯顯示屏的通信協(xié)議和功能選擇界面，液晶顯示屏顯示用戶選擇的數據和圖形。

主控模塊采用型號為stm32f4的arm核心芯片，該芯片是基于arm&reg-cortex^tm-m4內核的高性能微控制器，運行速度可達210dmips@168mhz。stm32f4系列微控制器集成了單周期dsp指令和fpu(floatingpointunit，浮點單元)，提升了計算能力，可以進行復雜的計算和控制。該芯片外圍輔助電路是根據主控模塊需實現(xiàn)的功能并配合arm芯片設計，通過輔助電路，arm芯片可以完成對其他模塊的協(xié)調控制和管理功能。

所述主控模塊采用底層嵌入式編譯方法，將數據計算處理方法和待處理的數據編譯后直接嵌入arm芯片，并根據用戶需要編寫屏幕顯示界面，通過將不同模塊之間通信協(xié)議全部編譯后嵌入arm芯片，實現(xiàn)對所有操作統(tǒng)一協(xié)調管理，所有軟硬件功能全部由arm硬件底層實現(xiàn)，確保系統(tǒng)軟硬件和存儲數據的安全，更適合對安全性能要求高的用戶使用。所述存儲模塊采用為is62wv51216all的隨機存儲芯片和型號為mt48lc32m8a2的外置sd芯片構成。所述傳輸模塊采用型號為pl-2303hx的芯片，通過外圍電路將傳輸芯片和存儲芯片連接起來，并通過指令協(xié)議由主控模塊進行協(xié)調管理。

arm芯片接收信號采集轉換模塊的數字信號后采用電源采集提取裝置采集得到的信號數據進行修正的算法。測試結果修正算法首先采用最小二乘法和插值擬合結合的方法進行計算，得到典型的、能夠反映信號真實狀態(tài)的信號數據，然后再對這些數據進行二次擬合計算。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，主要優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明是一種基于arm架構的電源信號采集特性提取裝置，可以對經過調理變換的電源信號進行數據采集、還原、存儲、計算和出圖分析等操作，提取標準規(guī)定的電源特性參數，并可以根據不同標準對被測電源參數的要求，對采集存儲的數據進行定制化處理，與類似專利相比，具有應用范圍廣的優(yōu)點。

(2)本發(fā)明裝置專用于處理經過調理變換為±10v的電源特性參數信號，采用硬件編譯技術將軟件功能編譯到arm芯片中，具有信號采集，數據還原、存儲、計算分析等功能，與類似專利相比，具有應用功能多樣的優(yōu)點。

(3)本發(fā)明裝置采用了一種新的信號處理算法，該算法對于信號還原的程度較高，與同類專利相比，具有測試精度搞得優(yōu)點。

(4)本發(fā)明裝置屬于自動采集測量硬件，與萬用表和電壓電流測試儀屬于同種功能設備相比，本發(fā)明裝置通過arm主控芯片，能夠實現(xiàn)自動控制其余的模塊實現(xiàn)對電源信號的采集、測量和顯示分析比對功能。該設備為便攜式一體化小型機，與同類的自動測試產品相比，本具有自動化程度高，技術完成度和完整性高的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結構圖；

圖2為本發(fā)明裝置中主控模塊的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明裝置中信號采集模塊的電路原理圖；

圖4為本發(fā)明裝置中存儲模塊和傳輸模塊及其外圍電路原理圖；

圖5為本發(fā)明裝置的外形組成結構；其中：1-液晶顯示屏；2-usb接口；3-usb接口；4-vga接口；5-電源按鈕；6-采集接線柱。

具體實施方式

下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明涉及一種基于arm架構的電源信號采集特性提取裝置，用于處理經過調理變換為±10v的電源特性參數信號，具有信號采集，數據還原、存儲、計算，結果出圖分析等功能。

本發(fā)明共分為六大模塊，分別是主控模塊、電源模塊、傳輸模塊、信號采集模塊、存儲模塊和顯示模塊。為了能夠滿足信號快速采集提取功能，并且能夠實現(xiàn)對采集數據的計算功能，本發(fā)明選擇了性能較高的arm芯片作為主控模塊芯片，并通過主控模塊控制電源信號采集提取裝置的輔助芯片和外圍工作電路，包括電源、信號傳輸、信號采集和存儲等分功能模塊。

如圖2所示，主控模塊是整個裝置的核心部分，通過主控模塊實現(xiàn)對其他五大模塊的協(xié)調控制管理。主控模塊由arm芯片和輔助電路構成，主控模塊arm核心是型號為stm32f4系列的芯片，該芯片是基于arm&reg-cortex^tm-m4內核的高性能微控制器，芯片采用90納米的nvm工藝和art技術(自適應實時存儲器加速器，adaptivereal-timememoryaccelerator^tm)。art技術使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行效率，stm32f4系列芯片運行速度可達210dmips@168mhz。自適應實時加速器能夠完全釋放cortex-m4內核的性能；當cpu工作于所有允許的頻率(≤168mhz)時，在閃存中運行的程序，可以達到相當于零等待周期的性能。stm32f4系列微控制器集成了單周期dsp指令和fpu(floatingpointunit，浮點單元)，提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制。該芯片外圍輔助電路是根據主控模塊需實現(xiàn)的功能并配合arm芯片設計，通過輔助電路，arm芯片可以完成對其他模塊的協(xié)調管理。

如圖3所示，信號采集模塊的電路原理。信號采集模塊是本裝置的信號采集部分，其功能是采集經過調理轉換為±10v的電源模擬信號，然后通過d/a芯片將采集到的模擬信號轉換為數字信號，主控模塊通過電路走線和驅動協(xié)議控制d/a芯片，將轉換后的數字信號傳輸到主控模塊進行數據處理。

如圖4所示，存儲模塊和傳輸模塊及其外圍電路原理。存儲模塊是本裝置的數據存儲部分，其主要由型號為is62wv51216all的隨機存儲芯片和型號為mt48lc32m8a2的外置sd芯片構成，主要功能是將經過主控模塊處理的數據存儲起來，由主控模塊通過指令隨時調用存儲的數據，并可根據指令，將存儲的數據通過主控模塊和傳輸模塊傳到外部設備中。傳輸模塊的功能是通過主控模塊協(xié)調控制傳輸模塊將需要的數據傳輸到外部設備(電腦存儲卡打印機等)中。傳輸模塊使用型號為pl-2303hx的芯片，通過外圍電路將傳輸芯片和存儲芯片連接起來，并通過指令協(xié)議由主控模塊進行協(xié)調管理。

電源模塊是電源信號采集提取裝置的供電部分，其功能是完成對外部交流電源的電能轉換，將外部電源信號轉換為該裝置使用的直流15v電源信號，電源信號經過轉換后再通過電路板上的穩(wěn)壓源，實現(xiàn)對整個裝置所有有源模塊的供電。顯示模塊由14英寸液晶屏和外圍輔助電路構成。電源模塊是本裝置的外部電源部分，其功能是完成對外部ac220v交流供電的電能轉換，將外部電源信號轉換為本裝置可用的dc15v電源，電能經過轉換后再通過電路板上的穩(wěn)壓源，實現(xiàn)對整個電路所有模塊的供電。顯示模塊主要由14英寸液晶屏和外圍輔助電路構成，根據用戶的需要，通過主控模塊編譯顯示屏的通信協(xié)議和功能選擇界面，液晶顯示屏可以顯示用戶選擇的數據和圖形。

本發(fā)明裝置每個模塊的核心處理芯片都是根據電源信號采集特性提取的要求甄選，適合不同電源參數提取、計算、分析和出圖。為了保證計算分析方法和處理數據的安全，本裝置采用底層嵌入式編譯方法，將核心計算處理方法和待處理的數據編譯后直接嵌入arm芯片，并根據用戶需要編寫屏幕顯示界面。通過將不同模塊之間通信協(xié)議全部編譯后嵌入arm芯片，由主控模塊對所有操作統(tǒng)一協(xié)調管理，裝置的所有軟硬件功能全部由arm硬件底層實現(xiàn)，確保系統(tǒng)軟硬件和存儲數據的安全，更適合對安全性能要求高的用戶使用。

本發(fā)明的軟件部分，包括各個模塊之間的通信協(xié)議，顯示操作界面和數據計算處理方法，都是通過編譯器直接將代碼嵌入主控模塊的核心處理芯片。軟件部分既可以根據用戶需求修改和定制，也有固化代碼模塊，根據不同使用需求選擇合適的代碼進行編譯并嵌入主控模塊處理芯片。

本發(fā)明為了提高測試結果的精度，測試結果修正算法首先采用了最小二乘法和插值擬合結合的方法進行計算，得到典型的、能夠反映信號真實狀態(tài)的信號數據，然后再對這些數據進行二次擬合計算，最終，得到測試需要的參數。

最小二乘法和插值擬合法結合的信號數據處理算法具體過程如下：

首先根據采集到的信號數據，選擇合適的擬合計算函數，構造函數如公式(1)所示：

公式(1)中，是模擬被測信號的目標函數，a0……an是根據被測信號類型代入函數的常量，x……xⁿ是模擬被測信號的自變量函數。

根據第n+1個的插值方程：其中，i＝0,1,2…n，可求出第n+1個待定系數ai(i＝0,1…n)。設函數y＝f(x)，x∈[a,b]。已知在n+1個互異節(jié)點xk的值f(xk)＝y(tǒng)k(k＝0,1…,n)，則設n次插值多項式為ln(x)，使ln(x)滿足公式(2)所示：

ln(xk)＝y(tǒng)k(k＝0,1,2…n)(2)

公式(2)中，ln(xk)是模擬被測信號的目標函數的變量函數，用于對目標函數進行計算，yk是ln(xk)函數的自變量函數。

如果n次多項式lk(x)(k＝0,1..n)滿足公式2，

公式(3)中，lk(xi)是模擬被測信號的目標函數進行擬合計算的過程函數。

由公式(3)可得lk(x)的n個零點必為xi(i＝0,1,2...n；i≠k)。

設lk(x)＝ak(x-x0)(x-x1)...(x-xk-1)(x-xk+1)...(x-xn)，當lk(xk)＝1時，帶入lk(x)的值可得ak＝1/(xk-x0)...(xk-xk-1)(xk-xk+1)...(xk-xn)，此時可以得到lk(x)為：

公式(4)中，x……xⁿ是lk(xi)的自變量函數。

根據公式(4)，lk(x)被稱為n次從插值的基函數，利用插值基函數表達式，可以將n次插值多項式ln(x)表示為：

公式(5)中，ln(x)就是拉格朗日插值多項式。

當n分別等于1和2時，即f(xk)＝y(tǒng)k(k＝1,2)時，ln(x)可變換為公式(6)和公式(7)：

公式(6)和(7)中，l1(x)、l2(x)是拉格朗日插值多項式中，當數字n分別取值為1和2時的具體值。此時，l1(x)，l2(x)分別稱為一次線性插值多項式和二次插值多項式。當電源信號采集提取裝置采集到信號后，首先利用式(6)和式(7)對采樣點進行插值擬合計算。

采樣點進行插值擬合之后，再對插值計算結果進行最小二乘線性擬合，從而求得更能表征求實際信號樣式的結果。

基本線性擬合曲線方程為y(x)＝a+bx，當y＝0時，求得采樣正向過零點x的坐標為x＝-(a/b)。

設采樣點的坐標為(xi,yi)(i＝0,1,2,…n)，根據線性擬合插值計算方法，單個采樣點與擬合曲線的偏差如公式(8)所示：

y(xi)-yi＝a+bxi-yi(8)

公式(8)中，下標i是具體的采樣點，將采樣點帶入基本線性曲線方程計算。

求出偏差的平方之和如公式(9)所示：

公式(9)中，f(a,b)是采樣點帶入偏差平方和后得到的擬合值，屬于過程函數結果。

根據最小二乘法的基本原理，取合適的a,b的取值，從而使得f(a,b)的值最小，求最小值的公式如式(10)所示：

公式(10)中，a，b都是計算過程中的常數取值。

解公式(10)可得：

公式(11)中，δ為采樣擬合的過程結果，n為計算的采樣點；a為線性擬合后截距的取值；b為線性擬合后斜率的取值。

通過上述計算方法將采樣點進行插值和線性最小二乘擬合之后，可以得到精確的采樣波形真實過零點的值。對經過擬合后的信號數據進行處理，可以減小處理誤差，得到典型的、能夠真實反映采樣信號形式的數據。最后，根據電源品質特性參數的計算方法，對經過擬合處理的數據進行計算，提取出需要的電源品質特性參數值。將電源品質特性參數的計算過程編譯到電源信號采集提取裝置的硬件之中，提高了該裝置的計算處理速度，也增加了數據的安全性。

本發(fā)明裝置的工作過程如下：

1、連接電源線，打開機身上的電源控制開關；

由于該裝置采用電容屏，全角度觸摸使用，當屏幕亮起后，手指觸碰屏幕，選擇需要使用的相關程序；

2、將紅黑接口線接到設備的接線柱上，設備接線柱分為黃色和綠色，接線的時候務必將接線分別接到黃色和綠色接線柱上，每一對接線柱代表一個通道，如果使用多個通道時，可以同時接多對接線柱。

3、連接電源線時，要注意電源線的相序，不要將相序接錯；

4、線纜連接完成后，打開電源之前，注意檢查負載和傳感器調理機箱的檔位是否在符合要求的位置，如果檔位錯誤，需要調整，避免由于檔位錯誤造成儀器燒毀。

5、進行機載用電設備測試時，根據需要選擇是否連接調理監(jiān)測控制模塊，如果不需要實時監(jiān)測模擬電源的輸出，可以直接將被試品與模擬電源連接，打開模擬電源控制軟件后，可以直接進行對被試品的試驗。

6、本裝置開始工作后，所有控制模塊通過arm設定好的程序配合完成功能，使用人只需要按照屏幕中的提示簡單操作，既可完成對信號的采集、分析、存儲等工作。

本發(fā)明裝置的結構和外形如圖5所示。圖5中數字的含義分別表示：

1-液晶顯示屏；2-usb接口；3-usb接口；4-vga接口；5-電源按鈕；6-采集接線柱；

如圖5所示，本發(fā)明控制采用觸屏模式，通過usb口可以進行外部存儲設備，如u盤、移動硬盤等存儲數據的導入和導出；通過vga接口，可以將顯示屏透射到其他屏幕上，采用多通道接線柱連接被測信號，接好線路后既可通過本發(fā)明裝置進行試驗。