實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本實(shí)用新型屬于電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)矩信號(hào)是各種動(dòng)力機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全與優(yōu)化控制和故障識(shí)別預(yù)報(bào)的主要信息源。對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)瞬態(tài)監(jiān)測(cè)可以深入了解到電機(jī)在運(yùn)行的每個(gè)位置處的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。同時(shí)，電機(jī)繞組電壓、電流等信息是電機(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)最直接的評(píng)判參數(shù)，電機(jī)的許多其它運(yùn)行參量都間接地與它們有關(guān)，這些參數(shù)精確的采樣和正確迅速的數(shù)據(jù)處理對(duì)電機(jī)控制來說是至關(guān)重要的。現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩采集系統(tǒng)一般采集精度較低，不能將轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化反映出來，精度好的數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格又相對(duì)昂貴，價(jià)格低的采樣頻率較低，而且抗干擾性不強(qiáng)。本項(xiàng)目重點(diǎn)在于通過電路參數(shù)仿真和實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)采樣電路，精確采樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電壓電流信號(hào)，并將結(jié)果實(shí)時(shí)通過上位機(jī)顯示出來，具備很強(qiáng)的直觀性和實(shí)時(shí)性;設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高，成本較低，對(duì)電機(jī)性能的一些測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供更加精確的米集。
[0003]轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出為變頻率脈沖信號(hào)，故精確測(cè)量轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)狀態(tài)等價(jià)于精確測(cè)量頻率。頻率測(cè)量是電子測(cè)量領(lǐng)域最基本的測(cè)量之一，頻率信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸、測(cè)量準(zhǔn)確度較高，因此許多非頻率傳感信號(hào)都轉(zhuǎn)化為頻率量來進(jìn)行測(cè)量和處理，頻率測(cè)量的方法也越來越引起關(guān)注和研究。以往的頻率測(cè)量，通常采用直接測(cè)頻法或分頻段測(cè)頻法，以單片機(jī)或CPLD為核心，由于基準(zhǔn)頻率低造成了測(cè)量精度不高、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的問題。如果采用單片機(jī)測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)現(xiàn)容易；局限性在于單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，計(jì)數(shù)器工作信號(hào)頻率不能太高，從而導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度低，可靠性差。CPLD和FGPA都需要外接晶振作為時(shí)鐘，在使用高頻率晶振情況下，電路板元器件之間的高頻干擾使布線難度很大，并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，使其精度也難以達(dá)到很高的精度。DSP具有極高的處理速度，可以應(yīng)用于具有很高實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合。由于內(nèi)部具有鎖相環(huán)(PLL)倍頻的功能，可以外接較低的頻率，而在DSP內(nèi)部經(jīng)過倍頻后得到較高的時(shí)鐘頻率作為信號(hào)處理的時(shí)鐘，這樣就避免了外接高頻頻率源而在PCB板產(chǎn)生高頻干擾和使系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況?，F(xiàn)在DSP技術(shù)已經(jīng)成熟，DSP芯片價(jià)格也在不斷降低，利用DSP設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比，TMS320F28335具有150MHz的主頻，每個(gè)單獨(dú)的eCap模塊具有獨(dú)立的32位計(jì)數(shù)器，4級(jí)事件深度來捕獲脈沖上升沿/下降沿，因此采用DSP芯片作為主處理芯片是很合適的。
[0004]另一方面，現(xiàn)在大部分上位機(jī)監(jiān)控界面基本是單線程的，GUI響應(yīng)和繪圖與1數(shù)據(jù)處理公用一個(gè)線程這樣數(shù)據(jù)收發(fā)處理與曲線顯示不能同時(shí)進(jìn)行，必須有先后順序，這不但使得數(shù)據(jù)吞吐量和效率的降低，還有可能導(dǎo)致曲線顯示時(shí)的卡頓一一因?yàn)樯a(chǎn)者和消費(fèi)者完全可以同時(shí)操作緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的不同部分，只要保證生產(chǎn)者能夠及時(shí)提供數(shù)據(jù)，消費(fèi)者的使用速度不會(huì)超過生產(chǎn)者即可?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的準(zhǔn)確采集并將其曲線平滑繪制在監(jiān)控界面上的實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、串口和Qt編寫的使用雙緩沖技術(shù)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所述下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括以DSP TMS320F28335芯片為核心的處理單元、電壓信號(hào)調(diào)理器、電流信號(hào)調(diào)理器、頻率信號(hào)調(diào)理器、ADC模塊、eCap模塊和SCI模塊，電壓信號(hào)調(diào)理器和電流信號(hào)調(diào)理器分別通過ADC模塊與DSP TMS320F28335芯片連接，頻率信號(hào)調(diào)理器通過eCap模塊與DSP TMS320F28335芯片連接，DSP TMS320F28335芯片通過SCI模塊輸出，并通過串口輸入至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);所述上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由I/O數(shù)據(jù)處理線程、GUI邏輯線程和波形顯示通道組成，所述I/O數(shù)據(jù)處理線程用于接收/發(fā)送、解碼來自于下位機(jī)傳的電流、電壓和頻率信號(hào)，GUI邏輯線程用于將來自于I/O數(shù)據(jù)處理線程的用戶事件進(jìn)行邏輯計(jì)算并進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線繪制，I/O數(shù)據(jù)處理線程和GUI邏輯線程各自分配一個(gè)緩沖隊(duì)列，分別用于存放下位機(jī)發(fā)來數(shù)據(jù)的隊(duì)列為生產(chǎn)者隊(duì)列、用于存放待繪制顯示的數(shù)據(jù)隊(duì)列為消費(fèi)者隊(duì)列，當(dāng)生產(chǎn)者隊(duì)列完成全部寫入，且消費(fèi)者隊(duì)列完成全部讀出后，則原生產(chǎn)者隊(duì)列和原消費(fèi)者隊(duì)列進(jìn)行一次切換，原生產(chǎn)者隊(duì)列轉(zhuǎn)為消費(fèi)者隊(duì)列，原消費(fèi)者隊(duì)列轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)者隊(duì)列；所述波形顯示通道在每個(gè)定時(shí)事件發(fā)生后進(jìn)行一次界面重繪，界面重繪是將整個(gè)曲線向左平移空出一個(gè)像素區(qū)并記錄次新點(diǎn)數(shù)據(jù)，再記錄最新點(diǎn)數(shù)據(jù)，在繪圖事件中將次新點(diǎn)數(shù)據(jù)和最新點(diǎn)數(shù)據(jù)用直線連接。
[0007]本實(shí)用新型下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速高精度的頻率測(cè)量和精確的電壓電流模擬信號(hào)的測(cè)量，依據(jù)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的頻率信號(hào)之間的映射關(guān)系就能將轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化反映出來，TMS320F28335的ADC模塊具有12.5MHz的高轉(zhuǎn)換速率和兩路保持器，工作與同步模式時(shí)可將某一時(shí)刻的電壓電流信號(hào)同時(shí)記錄下來，這為實(shí)時(shí)而精準(zhǔn)地計(jì)算瞬時(shí)磁鏈提供了保障;為了界面交互性能和防止阻塞，上位機(jī)部分在運(yùn)行階段開啟兩個(gè)線程(數(shù)據(jù)處理線程和GUI主線程)，改善了傳統(tǒng)電機(jī)監(jiān)控界面在大數(shù)據(jù)吞吐量時(shí)出現(xiàn)的界面卡頓和失去響應(yīng)的問題，GUI主線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)曲線繪制和響應(yīng)用戶事件，數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)處理下位機(jī)傳送來的原始數(shù)據(jù)，每個(gè)線程分配一個(gè)緩沖隊(duì)列，負(fù)責(zé)存放下位機(jī)發(fā)來數(shù)據(jù)的隊(duì)列為生產(chǎn)者隊(duì)列，負(fù)責(zé)存放待繪制顯示的數(shù)據(jù)隊(duì)列為消費(fèi)者隊(duì)列；以雙緩沖技術(shù)為核心，而上位機(jī)曲線也要實(shí)時(shí)繪制，同步或互斥的開銷會(huì)很明顯，使用雙緩沖隊(duì)列模式來改善這一問題。這兩個(gè)緩沖區(qū)，總是一個(gè)用于生產(chǎn)者，另一個(gè)用于消費(fèi)者。當(dāng)兩個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列都操作完，再進(jìn)行一次切換(先前被生產(chǎn)者寫入的轉(zhuǎn)為消費(fèi)者讀出，先前消費(fèi)者讀取的轉(zhuǎn)為生產(chǎn)者寫入)。采取讀操作優(yōu)先的切換策略，即生產(chǎn)者只要發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者緩沖隊(duì)列空閑，馬上切換以為曲線繪制線程提供數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)者和消費(fèi)者不會(huì)同時(shí)操作同一個(gè)緩沖區(qū)(不發(fā)生沖突)，所以就不需要在讀寫每一個(gè)數(shù)據(jù)單元的時(shí)候都進(jìn)行同步/互斥操作(區(qū)別于傳統(tǒng)的單緩沖區(qū))，這體現(xiàn)了空間換時(shí)間的優(yōu)化思路;該上位機(jī)界面采用新的繪圖機(jī)制，每個(gè)定時(shí)事件發(fā)生后進(jìn)行一次界面重繪，繪圖事件刷新時(shí)并不是將整個(gè)繪圖區(qū)域重繪，而是將整個(gè)曲線向左平移一定像素并記錄次新點(diǎn)數(shù)據(jù)，再記錄最新點(diǎn)數(shù)據(jù)，即只更新由于平移而空出的一個(gè)小區(qū)域，在繪圖事件中只是將次新點(diǎn)數(shù)據(jù)和最新點(diǎn)數(shù)據(jù)用直線連接，而不是像傳統(tǒng)的繪制機(jī)制一樣將大量重復(fù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制，從而有效減少了繪圖事件帶來的時(shí)間開銷和繪圖時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的閃爍問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)曲線自右向左的平滑移動(dòng)效果。
[0008]本實(shí)用新型采取把邏輯處理和I/O處理分離的策略，I/O線程即負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信的數(shù)據(jù)處理線程，處理的I/o事件包括數(shù)據(jù)包的接收/發(fā)送、解碼、連接的建立和維護(hù)等。邏輯線程對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行邏輯處理，如將原始的AD數(shù)據(jù)計(jì)算為電壓電流和磁鏈數(shù)據(jù)并繪制曲線，即GUI主線程。通常I/O線程和邏輯線程之間是通過數(shù)據(jù)包隊(duì)列來交換信息，簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式中生產(chǎn)者(下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù))和消費(fèi)者(即將被繪制的數(shù)據(jù))公用一個(gè)普通緩沖隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列在兩個(gè)線程共享訪問時(shí)必須加鎖，意味著每次出現(xiàn)同時(shí)訪問都要加鎖。存在“內(nèi)存分配的開銷”和“同步/互斥的開銷”兩個(gè)性能問題，使用雙緩沖隊(duì)列模式來改善這一問題。這兩個(gè)緩沖區(qū)，總是一個(gè)用于生產(chǎn)者，另一個(gè)用于消費(fèi)者。當(dāng)兩個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列都操作完，再進(jìn)行一次切換(先前被生產(chǎn)者寫入的轉(zhuǎn)為消費(fèi)者讀出，先前消費(fèi)者讀取的轉(zhuǎn)為生產(chǎn)者寫入)。采取讀操作優(yōu)先的切換策略，即生產(chǎn)者只要發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者緩沖隊(duì)列空閑，馬上切換以為曲線繪制線程提供數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)者和消費(fèi)者不會(huì)同時(shí)操作同一個(gè)緩沖區(qū)(不發(fā)生沖突)，所以就不需要在讀寫每一個(gè)數(shù)據(jù)單元的時(shí)候都進(jìn)行同步/互斥操作(區(qū)別于傳統(tǒng)的單緩沖區(qū))。
[0009]本實(shí)用新型改善了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線繪制(7)中存在的普遍存在的由于繪制時(shí)間較長(zhǎng)而無法滿足實(shí)時(shí)顯示的問題。該上位機(jī)界面采用新的繪圖機(jī)制，每個(gè)定時(shí)事件發(fā)生后進(jìn)行一次界面重繪，繪圖事件刷新時(shí)并不是將整個(gè)繪圖區(qū)域重繪，而是將整個(gè)曲線向左平移一定像素并只更新由于平移而空出的一個(gè)小區(qū)域，在繪圖事件中只是將次新點(diǎn)數(shù)據(jù)和最新點(diǎn)數(shù)據(jù)用直線連接，而不是像傳統(tǒng)的繪制機(jī)制一樣將大量重復(fù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行繪制，從而有效減少了繪圖事件帶來的時(shí)間開銷和繪圖時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的閃爍問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)曲線自右向左的平滑移動(dòng)效果。
[0010]本實(shí)用新型基于DSP的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)多線程的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的基礎(chǔ)之上，采用空間換時(shí)間的優(yōu)化