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        CRH3動車組輔助變流器半實物仿真數(shù)據(jù)監(jiān)測臺*

        2013-08-03 03:20:08寧,李紅,左
        鐵道機車車輛 2013年1期
        關(guān)鍵詞:采集卡工控機示波器

        楊 寧,李 紅,左 鵬

        (中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

        在高速動車組輔助變流器的國產(chǎn)化進程中,控制器作為核心部件,具有舉足輕重的作用,因此對控制器的引進、消化、吸收、再創(chuàng)新意義重大?;诜奖阊芯枯o助變流器控制器控制思想與邏輯的考慮[1-2],采用真實控制器加虛擬外圍回路的形式[3],構(gòu)建了一個便捷的半實物仿真環(huán)境的控制器分析平臺。為了對半實物仿真數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)測、存儲,需要半實物仿真數(shù)據(jù)的監(jiān)測臺[4]進行具有針對性的數(shù)據(jù)處理,便于后期分析工作的展開。

        1 監(jiān)測臺配置結(jié)構(gòu)

        除去系統(tǒng)的供電部分與模擬輔助變流器電路中的接觸器部分,半實物仿真[4]的總體結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。它由輔助變流器控制器、工控機1與顯示器、工控機2與顯示器組成。由于輔助變流器主電路的仿真需要占用大量的資源,因此由工控機1負責主電路的軟件仿真??刂破魍ㄟ^向工控機1發(fā)出控制信號和脈沖,并接收工控機1反饋的傳感器信號,形成輔助變流器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在控制過程中所有控制器與工控機1交互的控制信號、脈沖、傳感器信號都是分析輔助變流器控制方法的重要數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)監(jiān)測臺起到了對上述重要數(shù)據(jù)采集、顯示與保存的作用,它由工控機2和顯示屏組成。

        圖1 半實物仿真總體結(jié)構(gòu)簡圖

        根據(jù)動車組輔助變流器的控制開關(guān)頻率較低的特性,監(jiān)測臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合工控機的結(jié)構(gòu),采集接口見圖2。這種方案簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu),降低設(shè)計成本,無需額外的硬件設(shè)備就可以使用基于PC機的系統(tǒng)架構(gòu)。由于需要采集11路模擬通道、6路數(shù)字通道,在采集卡的選擇上,需要選擇采集速度較高、帶有FIFO緩存、具備直接訪問內(nèi)存空間存儲數(shù)據(jù)功能的高速采集卡,便于實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實時顯示與搬運。

        圖2 數(shù)據(jù)采集接口

        2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

        工控機的軟件開發(fā)平臺是基于Windows操作系統(tǒng)下的開發(fā)環(huán)境。在這種開發(fā)環(huán)境下,實現(xiàn)PCI數(shù)據(jù)采集的操作、制作人機交互界面比較常見的方法有使用G語言的labview軟件,或使用C語言的Visual C++軟件,亦或使用 VB語言的 Visual Basic軟件[5]。Labview是一款基于圖形編程的軟件[6],擅長于控制類編程,具有開發(fā)周期短,專業(yè)控件齊全等優(yōu)點;Visual C++編程較靈活,對于程序開發(fā)者而言,具有更大的自由度,在速度、穩(wěn)定性方面很占優(yōu)勢。Visual Basic則是介于Labview和Visual C++兩者之間,相對于Labview,程序開發(fā)有更大的自由度,相對于Visual C++,程序具備圖形界面必要的控件與直接操作數(shù)據(jù)采集卡的功能。所以,在設(shè)計方案上采用VB語言的Visual Basic軟件作為開發(fā)環(huán)境。

        2.1 DMA的直接操作

        采集系統(tǒng)共有6路數(shù)字信號、11路模擬信號。根據(jù)香農(nóng)采樣定理,為了不失真的恢復被采集的信號,采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。為了對采集到的信號進行很好的顯示與存儲,采集卡在內(nèi)部時鐘下,數(shù)字通道采用2 MHz的時鐘讀取頻率,模擬通道采用480 k Hz的采樣頻率,因此數(shù)據(jù)吞吐量較大。Windows操作系統(tǒng)是多任務(wù)分時復用的系統(tǒng),在Visual Basic軟件的數(shù)據(jù)實時讀取上經(jīng)常被操作系統(tǒng)的其他進程所打斷[7],因此在采集卡實時連續(xù)讀取數(shù)據(jù)的問題上遇到了難題。

        為了解決這一問題,對數(shù)據(jù)的讀取可采用直接內(nèi)存存取方式。DMA(Direct Memor y Access,直接內(nèi)存存?。┦乾F(xiàn)代PC機高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方式,它不需要占用CPU的資源,可以直接訪問內(nèi)存,在DMA數(shù)據(jù)傳輸時,由DMA控制器直接管理總線,完成數(shù)據(jù)的寫入。在對數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)讀取過程中,可以設(shè)置兩片用戶內(nèi)存中的大容量buffer,使用DMA的讀取方式,將數(shù)據(jù)寫入buff er中,在Visual Basic軟件編程中,通過對buff er前半滿和后半滿的查詢將數(shù)據(jù)從buffer中讀出。這樣可以保證采集到的數(shù)據(jù)連續(xù),不會丟失。數(shù)據(jù)讀取程序流程框圖見圖3。

        圖3 模擬、數(shù)字數(shù)據(jù)采集流程框圖

        首先,通過Visual Basic軟件在程序中設(shè)置兩塊內(nèi)存數(shù)組空間。然后,將數(shù)據(jù)采集卡初始化,完成VB與采集卡驅(qū)動的連接。隨后,對采集卡的參數(shù)進行配置,采用DMA數(shù)據(jù)傳輸模式,映射數(shù)據(jù)到數(shù)組空間。最后,啟動AD或者數(shù)字采集卡的定時器,即完成DMA傳輸下采集卡的配置,數(shù)據(jù)會自動連續(xù)寫入先前定義好的內(nèi)存數(shù)組空間。

        2.2 雙緩存顯示

        將需要分析的數(shù)據(jù)從buffer中讀出后寫入到用戶的存儲空間,然后需要將這些數(shù)據(jù)直觀依次地通過顯示屏顯示給用戶。波形的顯示程序包括波形的實時顯示和波形的回放程序。雖然VB具有較好的圖形界面和顯示控件,但是在波形的實時顯示上存在兩個較大的難點:顯示與采集程序的匹配問題和顯示波形的閃爍問題。

        (1)關(guān)于顯示與采集程序的匹配問題的解決方法。由于屏幕上需要顯示數(shù)據(jù)量的不確定性,顯示的速率總是快于或者慢于采集速度。為了能解決這一問題,在顯示環(huán)節(jié)加入了一個較大的顯示緩存,緩存的存儲量為顯示窗口最大能顯示的數(shù)據(jù)量。采集程序會不斷刷新顯示緩存,保證顯示緩存里存儲的是連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)。顯示程序可以自由的顯示出緩存里任意比例的數(shù)據(jù)。

        (2)關(guān)于顯示波形閃爍問題的解決方法。VB波形顯示的方式可通過向Visual Basic中的Picture控件中繪制連續(xù)線段的方式來實現(xiàn)的,這種方法比較適用于顯示數(shù)據(jù)量較小,顯示實時性要求不高的場合。對于高速采集到的大量數(shù)據(jù),而且實時性要求較高的系統(tǒng),此方法會造成人眼無法接受的閃爍并且占用大量的CPU資源。為了更好的解決該問題,將顯示方法進行了改進,通過在VB中調(diào)用Windows API函數(shù),使用Bit Blt函數(shù)雙緩存顯示的方式大大改善了閃爍問題。雙緩存的顯示思想是在界面中設(shè)置兩塊顯示區(qū),第一塊顯示區(qū)是作為緩顯(用戶看不到),第二塊顯示區(qū)作為顯示界面呈現(xiàn)給用戶。首先將數(shù)據(jù)畫在第一塊顯示區(qū)上,當畫完第一塊顯示區(qū)后再將第一塊顯示區(qū)的所有數(shù)據(jù)復制到第二塊顯示區(qū)上,顯示給操作用戶。延長了刷新間隔,降低了閃爍,顯示效果與示波器類似。波形的回放較為簡單,直接設(shè)置一塊和顯示緩存一樣大小的回放緩存,當需要回放的時候,將回放的數(shù)據(jù)直接畫到顯示緩存區(qū)即可。

        2.3 數(shù)據(jù)的存儲

        數(shù)據(jù)存儲為了便于后期對采集到的數(shù)據(jù)進行分析,數(shù)據(jù)的存儲必不可少,同時還應該具備數(shù)據(jù)的完整性和實時性。擬將數(shù)據(jù)存入到Micr osoft Office Excel 2003工作表中,VB對工作表的讀寫已經(jīng)很成熟、便捷,但是在大量的數(shù)據(jù)讀寫下,由于VB直接對工作表的操作響應慢,效率低,數(shù)據(jù)的存儲完全影響了其他程序的運行。為了解決這個問題可以采用讀寫文本文件的方式向Microsoft Office Excel 2003工作表中存儲數(shù)據(jù),這樣速度快、可靠性高,并且在存儲過程中將數(shù)據(jù)進行有效的分割,便于后期的數(shù)據(jù)處理。

        2.4 VB界面

        數(shù)據(jù)監(jiān)測臺的顯示界面實現(xiàn)了對輔助變流器重要信號的直觀顯示,實現(xiàn)了同示波器一樣的多通道輸入顯示測量功能,其顯示部分包括:波形顯示區(qū)、功能按鈕區(qū)、輔助變流器主電路示意圖區(qū)。

        波形顯示區(qū)類似于示波器的顯示窗口,可以同時顯示數(shù)據(jù)采集卡11個模擬通道和6個數(shù)字通道讀取上來的數(shù)據(jù)波形。根據(jù)試驗需要觀測的波形要求,可以通過勾選不同的信號,去掉或者顯示所選中的信號,并且可對選中的信號進行水平展寬與垂直移動。波形顯示區(qū)還具備水平時間的差值測量,便于波形分析。

        功能按鈕區(qū)是人機操作的平臺,用戶可以根據(jù)相應的操作功能,達到對波形觀察的目的。水平調(diào)整部分可以調(diào)整波形顯示區(qū)橫坐標的時基,可以對顯示波形進行水平縮放。垂直調(diào)整部分可以使波形上下移動,顯示在垂直不同的區(qū)域,便于波形的觀察。信號選擇部分前排復選框代表顯示對應的波形。后一排復選框代表選中需要垂直移動的波形。采集控制部分中開始按鈕是激活示波器,并且啟動每個采集卡。再次點擊,停止示波器與采集卡。保存按鈕可以根據(jù)窗口上方編輯欄的選擇,保存當前每個通道5 000個采樣點的數(shù)據(jù)或者固定時長的數(shù)據(jù)。復位按鈕是將整個采集系統(tǒng)復位,系統(tǒng)部分顯示當前時間,光標部分測量顯示被測波形的頻率和周期。

        圖4 VB顯示界面

        輔助變流器主電路示意圖區(qū),顯示主電路的原理圖。原理圖中開關(guān)的狀態(tài)可以直觀的顯示出來,圖中還標志出了每個顯示波形所代表的含義。當輔助變流器控制器啟動時,主電路開關(guān)的閉合順序,主電路中關(guān)鍵的電氣參數(shù),都可以實時的在原理圖中顯示出來,起到直觀顯示的效果。VB顯示界面見圖4。

        3 結(jié)束語

        半實物仿真數(shù)據(jù)監(jiān)測臺實現(xiàn)了對通用示波器顯示方式的很好替代,解決了示波器通道較少、造價昂貴的問題。并且,在顯示界面中加入了主電路原理圖,使得波形與主電路關(guān)鍵參數(shù)相對應,能達到更好的直觀觀測效果。同時,數(shù)據(jù)監(jiān)測臺還具備對波形進行歷史存儲與定時存儲功能,便于對輔助變流器控制器整體波形與瞬時狀態(tài)的分析,促進了高速動車組輔助變流器國產(chǎn)化研究的進程。

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