CN107329096B

CN107329096B - 一种基于arm架构的电源信号采集特性提取装置

Info

Publication number: CN107329096B
Application number: CN201710613344.3A
Authority: CN
Inventors: 吕冬翔
Original assignee: Beijing Aerospace Constant Capacitance Electromagnetic Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Constant Capacitance Electromagnetic Technology Co Ltd
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: CN107329096A

Abstract

本发明公开了一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，属于电源特性测试技术领域。该装置专用于处理经过调理变换为±10V的电源特性参数信号，具有信号采集，数据还原、存储、计算分析等功能。本装置硬件部分共分六大模块，分别是主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块、存储模块和显示模块。其中，主控模块装置的核心部分，本装置通过主控模块实现对其他模块的协调控制管理。本装置的软件部分，包括各个模块之间的通信协议，显示操作界面和数据计算处理方法，通过编译器直接将代码嵌入主控模块的核心处理芯片。软件部分既可以根据用户需求修改和定制，也有固化代码模块，根据不同使用需求选择合适的代码进行编译并嵌入主控模块处理芯片。

Description

一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置

技术领域

本发明涉及电源特性测试技术领域，具体地说，是设计研制一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置。

背景技术

电源品质特性对用电设备具有非常重要的影响，当电源品质特性较差时，电源中存在的谐波、脉冲或过压、过流、欠压、欠流等会对用电设备造成很大影响，甚至对用电设备造成不可修复的损毁。因此，对电源特性的检测是国标、国军标等多种标准规定的必测项目。特别是对于飞机、轮船、汽车等通过发动机带动发电机供电的系统，其电源品质特性更需要进行全面测试，以保证电源的可靠性和用电设备的使用安全。目前，使用万用表、示波器等常规设备进行电源品质特性检测，存在普通参数检测不精确，对瞬变高压、过流和特殊参数无法检测等限制。

与本发明相关的专利：

1)基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统及方法—201210562270.2，103064382B；

2)一种基于ARM架构的智能安防服务器控制系统设计方法—201610475971.0；

3)多功能信号采集仪—201610194634.4；

4)信号采集电路—201310668365.7；

5)开关信号采集系统—201210415158.6；102963316B；

6)信号采集和驱动的测试装置—201110452455.3；102539967B；

基于ARM架构的数据采集系统和信号采集电路/信号采集系统已经有许多类似的专利，以上列出的是与本发明相关程度较高且具有代表性的专利。目前，现有技术主要存在的缺点主要有：

(1)应用范围较小；例如“多功能信号采集仪”和“开关信号采集系统”都是只能用于测量频率范围不超过1MHz的低频信号，并且采集测量的信号样式和信号强弱都有相应的限制。

(2)功能较为单一；例如“信号采集和驱动的测试装置”只对特定样式和类型的信号能够进行采集，并只能够对特定的驱动器进行驱动处理，功能相对比较单一。

(3)自动化程度不高，技术完成度和完整性较低；例如“基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统及方法”和“一种基于ARM架构的智能安防服务器控制系统设计方法”都需要在使用时按照专利说明搭建测试环境，并要根据专利说明重新按照测试方法对系统进行配置后才能使用。

(4)对测试精度没有具体的指标要求。本发明列举的几个相关专利，包括其他类似专利，在专利中对于测试精度的指标都未提及。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，针对上述电源品质特性检测需求，提供一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，自动化和完整度高，具有较高的测量精度，能够直接应用于工程试验中。

本发明技术解决方案：一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，包括：主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块转换模块、存储模块和显示模块；

主控模块，实现对电源模块、传输模块、信号采集模块、存储模块和显示模块的协调控制管理；由ARM芯片和外围辅助电路构成，外围辅助电路根据主控模块需要实现的功能并配合ARM芯片设计，通过外围辅助电路，ARM芯片完成对其他模块五个的协调管理；主控模块的ARM芯片内嵌有数据处理和协调管理的算法，所述数据处理和协调管理算法包括各个模块之间的通信协议，显示操作界面和数据计算处理方法，计算采用电源采集提取装置采集得到的信号数据进行修正的算法；测试结果修正算法首先采用最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算，得到典型的、能够反映信号真实状态的信号数据，然后再对这些数据进行二次拟合计算，该算法是软件的核心部分，能够满足电源信号处理的功能；作为软件部分，所述算法通过编译器直接将代码嵌入主控模块的ARM芯片，所述算法既可以根据用户需求修改和定制，也可以为固化代码模块，根据不同使用需求选择合适的代码进行编译并嵌入主控模块的ARM芯片；

信号采集转换模块，采集经过调理转换为±10V的电源模拟信号，然后通过D/A芯片将采集到的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号传输到主控模块进行数据处理；

存储模块，作为数据存储部分，将经过主控模块处理的数据存储起来，由主控模块通过指令随时调用存储的数据，存储模块可根据指令，将存储的数据通过主控模块和传输模块传到外部存储设备，如U盘或者移动硬盘灯存储设备中；

传输模块，实现数据内部和外部的相互传输；通过指令协议由主控模块协调控制，将需要的数据传输到外部设备中，如U盘或者移动硬盘灯存储设备，同时将外部设备的信息可以传输至主控模块中，信息可以在外部存储设备的本发明装置之间相互传输；

电源模块，作为供电部分，完成对外部220V交流供电的电能转换，将外部电源信号转换为该装置使用的直流15V电源信号，电源信号经过开关电源换后再通过主控电路板的稳压源，实现对整个装置所有模块的供电；

显示模块，包括液晶屏和外围辅助电路构成，根据用户的需要，通过主控模块编译显示屏的通信协议和功能选择界面，液晶显示屏显示用户选择的数据和图形。

主控模块采用型号为STM32F4的ARM核心芯片，该芯片是基于ARM&reg-Cortex^TM-M4内核的高性能微控制器，运行速度可达210DMIPS@168MHz。STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU(floating point unit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行复杂的计算和控制。该芯片外围辅助电路是根据主控模块需实现的功能并配合ARM芯片设计，通过辅助电路，ARM芯片可以完成对其他模块的协调控制和管理功能。

所述主控模块采用底层嵌入式编译方法，将数据计算处理方法和待处理的数据编译后直接嵌入ARM芯片，并根据用户需要编写屏幕显示界面，通过将不同模块之间通信协议全部编译后嵌入ARM芯片，实现对所有操作统一协调管理，所有软硬件功能全部由ARM硬件底层实现，确保系统软硬件和存储数据的安全，更适合对安全性能要求高的用户使用。所述存储模块采用为IS62WV51216ALL的随机存储芯片和型号为MT48LC32M8A2的外置SD芯片构成。所述传输模块采用型号为PL-2303HX的芯片，通过外围电路将传输芯片和存储芯片连接起来，并通过指令协议由主控模块进行协调管理。

ARM芯片接收信号采集转换模块的数字信号后采用电源采集提取装置采集得到的信号数据进行修正的算法。测试结果修正算法首先采用最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算，得到典型的、能够反映信号真实状态的信号数据，然后再对这些数据进行二次拟合计算。

本发明与现有技术相比，主要优点在于：

(1)本发明是一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，可以对经过调理变换的电源信号进行数据采集、还原、存储、计算和出图分析等操作，提取标准规定的电源特性参数，并可以根据不同标准对被测电源参数的要求，对采集存储的数据进行定制化处理，与类似专利相比，具有应用范围广的优点。

(2)本发明装置专用于处理经过调理变换为±10V的电源特性参数信号，采用硬件编译技术将软件功能编译到ARM芯片中，具有信号采集，数据还原、存储、计算分析等功能，与类似专利相比，具有应用功能多样的优点。

(3)本发明装置采用了一种新的信号处理算法，该算法对于信号还原的程度较高，与同类专利相比，具有测试精度搞得优点。

(4)本发明装置属于自动采集测量硬件，与万用表和电压电流测试仪属于同种功能设备相比，本发明装置通过ARM主控芯片，能够实现自动控制其余的模块实现对电源信号的采集、测量和显示分析比对功能。该设备为便携式一体化小型机，与同类的自动测试产品相比，本具有自动化程度高，技术完成度和完整性高的优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构图；

图2为本发明装置中主控模块的电路原理图；

图3为本发明装置中信号采集模块的电路原理图；

图4为本发明装置中存储模块和传输模块及其外围电路原理图；

图5为本发明装置的外形组成结构；其中：1-液晶显示屏；2-USB接口；3-USB接口；4-VGA接口；5-电源按钮；6-采集接线柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明涉及一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，用于处理经过调理变换为±10V的电源特性参数信号，具有信号采集，数据还原、存储、计算，结果出图分析等功能。

本发明共分为六大模块，分别是主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块、存储模块和显示模块。为了能够满足信号快速采集提取功能，并且能够实现对采集数据的计算功能，本发明选择了性能较高的ARM芯片作为主控模块芯片，并通过主控模块控制电源信号采集提取装置的辅助芯片和外围工作电路，包括电源、信号传输、信号采集和存储等分功能模块。

如图2所示，主控模块是整个装置的核心部分，通过主控模块实现对其他五大模块的协调控制管理。主控模块由ARM芯片和辅助电路构成，主控模块ARM核心是型号为STM32F4系列的芯片，该芯片是基于ARM&reg-Cortex^TM-M4内核的高性能微控制器，芯片采用90纳米的NVM工艺和ART技术(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator^TM)。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行效率，STM32F4系列芯片运行速度可达210DMIPS@168MHz。自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4内核的性能；当CPU工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU(floating point unit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。该芯片外围辅助电路是根据主控模块需实现的功能并配合ARM芯片设计，通过辅助电路，ARM芯片可以完成对其他模块的协调管理。

如图3所示，信号采集模块的电路原理。信号采集模块是本装置的信号采集部分，其功能是采集经过调理转换为±10V的电源模拟信号，然后通过D/A芯片将采集到的模拟信号转换为数字信号，主控模块通过电路走线和驱动协议控制D/A芯片，将转换后的数字信号传输到主控模块进行数据处理。

如图4所示，存储模块和传输模块及其外围电路原理。存储模块是本装置的数据存储部分，其主要由型号为IS62WV51216ALL的随机存储芯片和型号为MT48LC32M8A2的外置SD芯片构成，主要功能是将经过主控模块处理的数据存储起来，由主控模块通过指令随时调用存储的数据，并可根据指令，将存储的数据通过主控模块和传输模块传到外部设备中。传输模块的功能是通过主控模块协调控制传输模块将需要的数据传输到外部设备(电脑存储卡打印机等)中。传输模块使用型号为PL-2303HX的芯片，通过外围电路将传输芯片和存储芯片连接起来，并通过指令协议由主控模块进行协调管理。

电源模块是电源信号采集提取装置的供电部分，其功能是完成对外部交流电源的电能转换，将外部电源信号转换为该装置使用的直流15V电源信号，电源信号经过转换后再通过电路板上的稳压源，实现对整个装置所有有源模块的供电。显示模块由14英寸液晶屏和外围辅助电路构成。电源模块是本装置的外部电源部分，其功能是完成对外部AC220V交流供电的电能转换，将外部电源信号转换为本装置可用的DC15V电源，电能经过转换后再通过电路板上的稳压源，实现对整个电路所有模块的供电。显示模块主要由14英寸液晶屏和外围辅助电路构成，根据用户的需要，通过主控模块编译显示屏的通信协议和功能选择界面，液晶显示屏可以显示用户选择的数据和图形。

本发明装置每个模块的核心处理芯片都是根据电源信号采集特性提取的要求甄选，适合不同电源参数提取、计算、分析和出图。为了保证计算分析方法和处理数据的安全，本装置采用底层嵌入式编译方法，将核心计算处理方法和待处理的数据编译后直接嵌入ARM芯片，并根据用户需要编写屏幕显示界面。通过将不同模块之间通信协议全部编译后嵌入ARM芯片，由主控模块对所有操作统一协调管理，装置的所有软硬件功能全部由ARM硬件底层实现，确保系统软硬件和存储数据的安全，更适合对安全性能要求高的用户使用。

本发明的软件部分，包括各个模块之间的通信协议，显示操作界面和数据计算处理方法，都是通过编译器直接将代码嵌入主控模块的核心处理芯片。软件部分既可以根据用户需求修改和定制，也有固化代码模块，根据不同使用需求选择合适的代码进行编译并嵌入主控模块处理芯片。

本发明为了提高测试结果的精度，测试结果修正算法首先采用了最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算，得到典型的、能够反映信号真实状态的信号数据，然后再对这些数据进行二次拟合计算，最终，得到测试需要的参数。

最小二乘法和插值拟合法结合的信号数据处理算法具体过程如下：

首先根据采集到的信号数据，选择合适的拟合计算函数，构造函数如公式(1)所示：

公式(1)中，是模拟被测信号的目标函数，a₀……a_n是根据被测信号类型代入函数的常量，x……xⁿ是模拟被测信号的自变量函数。

根据第n+1个的插值方程：其中，i＝0,1,2…n，可求出第n+1个待定系数a_i(i＝0,1…n)。设函数y＝f(x)，x∈[a,b]。已知在n+1个互异节点x_k的值f(x_k)＝y_k(k＝0,1…,n)，则设n次插值多项式为L_n(x)，使L_n(x)满足公式(2)所示：

L_n(x_k)＝y_k(k＝0,1,2…n) (2)

公式(2)中，L_n(x_k)是模拟被测信号的目标函数的变量函数，用于对目标函数进行计算，y_k是L_n(x_k)函数的自变量函数。

如果n次多项式l_k(x)(k＝0,1..n)满足公式2，

公式(3)中，l_k(x_i)是模拟被测信号的目标函数进行拟合计算的过程函数。

由公式(3)可得l_k(x)的n个零点必为x_i(i＝0,1,2...n；i≠k)。

设l_k(x)＝A_k(x-x₀)(x-x₁)...(x-x_k-1)(x-x_k+1)...(x-x_n)，当l_k(x_k)＝1时，带入l_k(x)的值可得A_k＝1/(x_k-x₀)...(x_k-x_k-1)(x_k-x_k+1)...(x_k-x_n)，此时可以得到l_k(x)为：

公式(4)中，x……xⁿ是l_k(x_i)的自变量函数。

根据公式(4)，L_k(x)被称为n次从插值的基函数，利用插值基函数表达式，可以将n次插值多项式L_n(x)表示为：

公式(5)中，L_n(x)就是拉格朗日插值多项式。

当n分别等于1和2时，即f(x_k)＝y_k(k＝1,2)时，L_n(x)可变换为公式(6)和公式(7)：

公式(6)和(7)中，L₁(x)、L₂(x)是拉格朗日插值多项式中，当数字n分别取值为1和2时的具体值。此时，L₁(x)，L₂(x)分别称为一次线性插值多项式和二次插值多项式。当电源信号采集提取装置采集到信号后，首先利用式(6)和式(7)对采样点进行插值拟合计算。

采样点进行插值拟合之后，再对插值计算结果进行最小二乘线性拟合，从而求得更能表征求实际信号样式的结果。

基本线性拟合曲线方程为y(x)＝a+bx，当y＝0时，求得采样正向过零点x的坐标为x＝-(a/b)。

设采样点的坐标为(x_i,y_i)(i＝0,1,2,…N)，根据线性拟合插值计算方法，单个采样点与拟合曲线的偏差如公式(8)所示：

y(x_i)-y_i＝a+bx_i-y_i (8)

公式(8)中，下标i是具体的采样点，将采样点带入基本线性曲线方程计算。

求出偏差的平方之和如公式(9)所示：

公式(9)中，F(a,b)是采样点带入偏差平方和后得到的拟合值，属于过程函数结果。

根据最小二乘法的基本原理，取合适的a,b的取值，从而使得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都是计算过程中的常数取值。

解公式(10)可得：

公式(11)中，Δ为采样拟合的过程结果，N为计算的采样点；a为线性拟合后截距的取值；b为线性拟合后斜率的取值。

通过上述计算方法将采样点进行插值和线性最小二乘拟合之后，可以得到精确的采样波形真实过零点的值。对经过拟合后的信号数据进行处理，可以减小处理误差，得到典型的、能够真实反映采样信号形式的数据。最后，根据电源品质特性参数的计算方法，对经过拟合处理的数据进行计算，提取出需要的电源品质特性参数值。将电源品质特性参数的计算过程编译到电源信号采集提取装置的硬件之中，提高了该装置的计算处理速度，也增加了数据的安全性。

本发明装置的工作过程如下：

1、连接电源线，打开机身上的电源控制开关；

由于该装置采用电容屏，全角度触摸使用，当屏幕亮起后，手指触碰屏幕，选择需要使用的相关程序；

2、将红黑接口线接到设备的接线柱上，设备接线柱分为黄色和绿色，接线的时候务必将接线分别接到黄色和绿色接线柱上，每一对接线柱代表一个通道，如果使用多个通道时，可以同时接多对接线柱。

3、连接电源线时，要注意电源线的相序，不要将相序接错；

4、线缆连接完成后，打开电源之前，注意检查负载和传感器调理机箱的档位是否在符合要求的位置，如果档位错误，需要调整，避免由于档位错误造成仪器烧毁。

5、进行机载用电设备测试时，根据需要选择是否连接调理监测控制模块，如果不需要实时监测模拟电源的输出，可以直接将被试品与模拟电源连接，打开模拟电源控制软件后，可以直接进行对被试品的试验。

6、本装置开始工作后，所有控制模块通过ARM设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简单操作，既可完成对信号的采集、分析、存储等工作。

本发明装置的结构和外形如图5所示。图5中数字的含义分别表示：

1-液晶显示屏；2-USB接口；3-USB接口；4-VGA接口；5-电源按钮；6-采集接线柱；

如图5所示，本发明控制采用触屏模式，通过USB口可以进行外部存储设备，如U盘、移动硬盘等存储数据的导入和导出；通过VGA接口，可以将显示屏透射到其他屏幕上，采用多通道接线柱连接被测信号，接好线路后既可通过本发明装置进行试验。

Claims

1.一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，其特征在于：包括主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块转换模块、存储模块和显示模块；

传输模块，实现数据内部和外部的相互传输；通过指令协议由主控模块协调控制，将需要的数据传输到外部设备中，同时将外部设备的信息可以传输至主控模块中，信息可以在外部存储设备的本发明装置之间相互传输；

显示模块，包括液晶屏和外围辅助电路构成，根据用户的需要，通过主控模块编译显示屏的通信协议和功能选择界面，液晶显示屏显示用户选择的数据和图形；

最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算的具体过程如下：

公式(1)中，是模拟被测信号的目标函数，a₀……a_n是根据被测信号类型代入函数的常量，x……xⁿ是模拟被测信号的自变量函数；

根据第n+1个的插值方程：其中，i＝0,1,2…n，可求出第n+1个待定系数a_i(i＝0,1…n)，设函数y＝f(x)，x∈[a,b]，已知在n+1个互异节点x_k的值f(x_k)＝y_k(k＝0,1…,n)，则设n次插值多项式为L_n(x)，使L_n(x)满足公式(2)所示：

L_n(x_k)＝y_k(k＝0,1,2…n) (2)

公式(2)中，L_n(x_k)是模拟被测信号的目标函数的变量函数，用于对目标函数进行计算，y_k是L_n(x_k)函数的自变量函数；

如果n次多项式l_k(x)(k＝0,1..n)满足公式2，

公式(3)中，l_k(x_i)是模拟被测信号的目标函数进行拟合计算的过程函数；

由公式(3)得l_k(x)的n个零点必为x_i，i＝0,1,2...n；i≠k；

设l_k(x)＝A_k(x-x₀)(x-x₁)...(x-x_k-1)(x-x_k+1)...(x-x_n)，当l_k(x_k)＝1时，带入l_k(x)的值得A_k＝1/(x_k-x₀)...(x_k-x_k-1)(x_k-x_k+1)...(x_k-x_n)，此时得到l_k(x)为：

公式(4)中，x……xⁿ是l_k(x_i)的自变量函数；

根据公式(4)，L_k(x)被称为n次从插值的基函数，利用插值基函数表达式，将n次插值多项式L_n(x)表示为：

公式(5)中，L_n(x)就是拉格朗日插值多项式；

当n分别等于1和2时，即f(x_k)＝y_k(k＝1,2)时，L_n(x)变换为公式(6)和公式(7)：

公式(6)和(7)中，L₁(x)、L₂(x)是拉格朗日插值多项式中，当数字n分别取值为1和2时的具体值，此时，L₁(x)，L₂(x)分别称为一次线性插值多项式和二次插值多项式；当电源信号采集提取装置采集到信号后，首先利用式(6)和式(7)对采样点进行插值拟合计算；

采样点进行插值拟合之后，再对插值计算结果进行最小二乘线性拟合，从而求得更能表征求实际信号样式的结果；

基本线性拟合曲线方程为y(x)＝a+bx，当y＝0时，求得采样正向过零点x的坐标为x＝-(a/b)；

y(x_i)-y_i＝a+bx_i-y_i (8)

公式(8)中，下标i是具体的采样点，将采样点带入基本线性曲线方程计算；

求出偏差的平方之和如公式(9)所示：

公式(9)中，F(a,b)是采样点带入偏差平方和后得到的拟合值，属于过程函数结果；

公式(10)中，a，b都是计算过程中的常数取值；

解公式(10)得：

2.根据权利要求1所述的基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，其特征在于：所述主控模块采用型号为STM32F4的ARM核心芯片，所述主控模块采用底层嵌入式编译方法，将数据计算处理方法和待处理的数据编译后直接嵌入ARM芯片，并根据用户需要编写屏幕显示界面，通过将不同模块之间通信协议全部编译后嵌入ARM芯片，实现对所有操作统一协调管理，所有软硬件功能全部由ARM硬件底层实现，确保系统软硬件和存储数据的安全，更适合对安全性能要求高的用户使用；所述存储模块采用为IS62WV51216ALL的随机存储芯片和型号为MT48LC32M8A2的外置SD芯片构成，所述传输模块采用型号为PL-2303HX的芯片，通过外围电路将传输芯片和存储芯片连接起来，并通过指令协议由主控模块进行协调管理；

ARM芯片接收信号采集转换模块的数字信号后采用电源采集提取装置采集得到的信号数据进行修正的算法，测试结果修正算法首先采用最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算，得到典型的、能够反映信号真实状态的信号数据，然后再对这些数据进行二次拟合计算。