CN107607763A - 一种模拟信号实时采集传输显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟信号实时采集传输显示系统，由上位机端和下位机端组成，上位机端和下位机端通过SCI通信方式通信；上位机端包括计算机及人机交互界面；下位机端包括电源模块、DSP控制板模块、传感器模块、采样电路模块、RS232接口模块和LED指示灯报警模块；DSP控制板模块根据上位机端传输的操作指令打开相应的测量通道对模拟信号进行测量，并将模拟信号转换为数字信号后通过SCI通信方式传输给上位机端，SCI传输利用RS232接口连接。本发明可以实时采集电压、电流、温度信号并显示波形，并且可以保存所采集的数据及图像；硬件结构设计较为简单，成本低且安全、实用，实时性较高；利用SCI通信方式与上位机通信，实时性好，可移植性高。

Description

一种模拟信号实时采集传输显示系统

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种模拟信号实时采集传输显示系统。

背景技术

在电力电子设备的研发调试及维护阶段，示波器是使用最多的仪器之一。市面上大部分的示波器测量通道数量较少，并且测量范围常受限于探头的规格，高压探头的成本昂贵。普示波器只能测量电压信号，在对设备的调试过程中，除了需要测量电压，通常还需要对电流、温度等参数进行测量，方便对设备的故障进行综合分析及调试。

示波器通常只能显示最近一段时间的测量波形，然而对于大多数设备的调试过程而言，知道其在测试的完整时间内的数据及波形是非常重要的。另外，对于现代的电力电子研究，将采集数据方便快速地导入计算机进行后续的分析是非常有必要的。

目前缺少一款可以在电力电子设备调试过程中实时采集各模拟信号及实时显示其波形的设备。现已出现利用单片机AD采样及外扩液晶屏为主的数字示波器，但且仍无法完全满足上述需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种模拟信号实时采集传输显示系统，可以实时采集电压、电流、温度信号并显示波形，并且可以保存所采集的数据及图像。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：它由上位机端和下位机端组成，上位机端和下位机端通过SCI通信方式通信；其中，

上位机端包括计算机及人机交互界面；计算机用于对数据的收发和处理，人机交互界面主要分为指令操作面板和显示面板；指令操作面板用于输入操作指令，操作指令包括打开和关闭本系统，以及选择下位机端所需测量的模拟信号类型及通道数以及采样频率；所述的模拟信号类型包括电压、电流、温度，其中电压和电流分别有3个测量通道，对应工程中的三相电，温度有2个测量通道；所述的操作指令由计算机处理后通过SCI通信方式传输给下位机端；显示面板包括数据显示区和波形显示区，计算机通过SCI通信方式接收下位机端传输的数字信号，并将其转换为模拟信号值，数据显示区用于实时更新显示和清除数据，波形显示区用于实时动态显示波形，并对数据和波形进行保存；

下位机端包括电源模块、DSP控制板模块、传感器模块、采样电路模块、RS232接口模块和LED指示灯报警模块；其中传感器模块包括温度传感器、电压传感器和电流传感器，温度传感器的输出端与DSP控制板模块连接，电压传感器和电流传感器的输出端通过采样电路模块连接至DSP控制板模块，RS232接口模块和LED指示灯报警模块分别与DSP控制板模块连接，电源模块分别与传感器模块和DSP控制板模块连接；所述的DSP控制板模块根据上位机端传输的操作指令打开相应的测量通道对模拟信号进行测量，并将模拟信号转换为数字信号后通过SCI通信方式传输给上位机端，SCI传输利用RS232接口连接。

按上述方案，所述的电源模块采用URC240515D-30WR2模块。

按上述方案，所述的电压传感器为LV25-P/SP5霍尔电压型传感器；电流传感器为LA55P霍尔电流型传感器；LV25-P/SP5霍尔电压型传感器和LA55P霍尔电流型传感器分别通过采样电路模块调理后形成0-3v的电压信号与DSP控制板模块的AD接口连接，DSP控制板模块中的AD模块将模拟信号转换为数字信号存储在DSP控制板模块中。

按上述方案，所述的温度传感器为ADT7410温度传感器，与DSP3.3V输出电压引脚直接相连供电；ADT7410温度传感器输出数字信号与DSP之间采用I2C通信进行数据传输。

按上述方案，所述的LED指示灯报警模块由LED灯和蜂鸣器组成；DSP控制板模块控制当某一测量通道被打开时点亮相应LED灯，当某一测量通道测量范围超过量程时对应的LED灯闪烁，且蜂鸣器发出警报声并自动关闭相应测量通道。

按上述方案，所述的数据以文档格式或者excel格式存储。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以实时采集电压、电流、温度信号并显示波形，并且可以保存所采集的数据及图像；硬件结构设计较为简单，成本低且安全、实用，实时性较高；利用SCI通信方式与上位机通信，实时性好，可移植性高；利用计算机为载体开发的上位机人际交互操作界面，美观，明了；操作指令丰富，操作简单便捷，在上位机上进行操作指令的下达同时也减轻了下位机硬件结构设计的复杂度。

2、上位机端可以以文档格式或者excel格式导出采集信号的数据，可以保存波形；由于上位机以计算机作为载体，其存储容量大，处理速度高，因此不会出现数据接收乱码和存储溢出等问题，且方便数据导出后的后续分析处理。

3、下位机端包含报警装置并自动关闭检测通道以保护系统。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图。

图2为下位机端结构示意图。

图3为上位机端人机交互操作界面图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种模拟信号实时采集传输显示系统，由上位机端和下位机端两大部分组成，通过SCI通信。操作人员通过上位机端向下位机端下达操作指令，下位机端根据接收到的操作指令开启相关测量通道进行测量，并将测量信号采集处理后实时上传给上位机集中显示，包括数据显示和波形显示。

下位机端结构示意图如图2所示，主要由传感器模块、采样电路模块、电源模块、RS232接口模块、DSP主控板模块、LED指示灯及报警模块构成。电源模块为24V输入，输出+15V、-15V、+5V给其他模块供电。一共有六路测量通道，分别有三路电压传感器、三路电流传感器和两路温度传感器。电压传感器和电流传感器把传感器采集回来的数据送入采样电路模块进行调理放大处理然后输入给DSP主控板进行AD转换。温度传感器除传感器外自带一个AD转换器，其输出为数字值，利用I2C总线与DSP主控板进行数据传输。LED指示灯及报警模块由LED灯和蜂鸣器组成，共有六路指示灯对应六路检测通道。RS232接口用于SCI通信，其将DSP板内的TTL电平转换为RS232电平，实现与上位机端直接的通信。

具体的，电压传感器采用的是LEM公司的LV25-P/SP5霍尔电压型传感器，通过霍尔效应将输入测量电压等比例转换为输出电流信号，该传感器测量范围广，精度高，所测电压频率能最该达40KHz，可测量直流、交流和脉冲电压；最大能够测量±10-1500V的电压并转换为输出电压量程可自行选取的采样信号。可测量正负输入电压并且输出信号可选择与各种控制器或DA转换芯片电压相匹配，并能防止故障发生输出信号过高损坏后面的控制器或DA芯片。电流传感器采用的是LEM公司的LA55P，可测量±50A的电流，将其转换成输出量程可自选取的采样信号，可测量直流、交流和脉冲电流，具有精度良好，低温漂，线性度好等优点。电压传感器和电流传感器测量模拟量后输出的电流信号经过采样电路模块进行信号处理转换为电压信号，并使其能够满足该装置后面连接DSP控制板模块AD转换的采样电压范围。

进一步地，采样电路模块由基准电压产生电路与运算放大电路组成，基准电压产生电路产生基准电压提供运算放大电路输出电压基准中间值；运算放大电路将霍尔传感器的输出电流信号转化为电压信号并与基准电压求和输出，实现运算放大器工作在线性区并能测量正负电压的功能，同时电路输出部分所接的稳压管能够防止故障发生时输出电压过高造成后面的输出信号采样电路损坏。

具体的，温度传感器采用的是ADT7410模块，其内部由一个带隙温度基准源和一个13位的ADC组成。其工作电压为3.3V，由DSP控制板模块供电，工作温度范围-50℃至+150℃。ADT7410把测量温度转化为数字量，与DSP控制板模块通过I2C通信传输包含温度信息的数据。

电源模块采用的电源芯片是URC240515D-30WR2，其输入为24V，输出为+15V、-15V、+5V。特别的，±15V之间接一个LED灯作为电源板电源指示灯。输出+15V和-15V给采样电路模块、电压传感器和电流传感器供电，输出5V给DSP控制板模块供电。

DSP控制板模块采用的控制器是德州仪器公司的DSP系列TMS320F28335芯片，该芯片主时钟频率高达150MHZ，具有浮点运算单元，满足本系统对实时性和计算处理能力的要求。该芯片具有16个12位的AD转换通道，AD时钟设置位12.5MHZ,模拟量电压输入范围0-3V。本发明选用其中的ADCINA0-ADCINA7转换通道，DSP控制板模块根据接收到的上位机端的指令决定开启相应的测量通道，并在AD中断中读取相应的AD值，通过RS232接口以SCI通信方式实时地传输给上位机端。

LED指示灯报警模块由6路LED灯和一个蜂鸣器组成。当相应的测量通道被打开时，相对应的LED灯点亮，便于工作人员观察。需要说明的是，当DSP芯片检测到有AD转换通道的电压等于3V超过三秒时，也就是对应的传感器能线性检测的最大温度范围时，蜂鸣器发出警报并且相应的LED灯闪烁，同时关闭该通道以保护DSP控制板模块不会被损坏。

图3为本发明所述的上位机人机交互界面，采样可视化图形界面，方便工作人员操作观察。该界面示意图仅仅是作为示例，并不仅限于该图形模式。

具体的，首先需要将下位机端和上位机端以SCI通信方式建立连接，打开下位机端初始化程序后进入等待指令状态，在指令区面板的弹出式菜单选择波特率和SCI的COM口。波特率共有9600和115200两档选择，COM口可选择COM1-COM9。设置好波特率和SCI端口后，点击“打开”按钮对上位机系统进行初始化，准备与下位机进行通信。弹出式菜单可以选择下位机端DSP芯片的AD采样频率，系统默认10KHZ，另外还有15KHZ和20KHZ可选。选择好某一采样频率后上位机将采样频率信息发送给下位机，下位机接收到信息后对DSP的AD寄存器进行设置，使采样频率和选择相符。电压测量通道选择面板和电流测量通道选择面板各有三路测量通道CH1-CH3可选，温度测量通道选择面板共有两路通道CH1、CH2。当某一通道被打开时，该通道指示灯变为绿色；当该通道测量值超过测量范围时，该指示灯变为红色；当测量值恢复正常测量范围，指示灯重新变成绿色。

进一步的，当下位机端采集的数据上传给上位机端后，上位机端对数据进行处理并在数据接收区显示。电压数据显示区、电流数据显示区、温度数据显示区可以实时刷新显示各通道最新测量到的若干组模拟量值，同时波形显示区也会实时的显示所测模拟量从零时刻开始的波形图。点击“清除接收区”按钮可以清空数据显示区的数据以及相对应的波形。

需要说明的是，虽然数据接收区只能刷新显示最近的测量值，但上位机端可以存储从零时刻开始的所有下位机端上传的测量值。进一步的，本发明可以以两种方式对数据导出：点击“保存为txt”按钮可以以txt格式导出数据，点击“保存为excel”按钮可以以excel格式导出数据，本发明的该项功能方便工作人员对数据进行下一步的分析。点击“保存图像”按钮可以对波形进行保存。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：它由上位机端和下位机端组成，上位机端和下位机端通过SCI通信方式通信；其中，

上位机端包括计算机及人机交互界面；计算机用于对数据的收发和处理，人机交互界面主要分为指令操作面板和显示面板；指令操作面板用于输入操作指令，操作指令包括打开和关闭本系统，以及选择下位机端所需测量的模拟信号类型及通道数以及采样频率；所述的模拟信号类型包括电压、电流、温度，其中电压和电流分别有3个测量通道，对应工程中的三相电，温度有2个测量通道；所述的操作指令由计算机处理后通过SCI通信方式传输给下位机端；显示面板包括数据显示区和波形显示区，计算机通过SCI通信方式接收下位机端传输的数字信号，并将其转换为模拟信号值，数据显示区用于实时更新显示和清除数据，波形显示区用于实时动态显示波形，并对数据和波形进行保存；

下位机端包括电源模块、DSP控制板模块、传感器模块、采样电路模块、RS232接口模块和LED指示灯报警模块；其中传感器模块包括温度传感器、电压传感器和电流传感器，温度传感器的输出端与DSP控制板模块连接，电压传感器和电流传感器的输出端通过采样电路模块连接至DSP控制板模块，RS232接口模块和LED指示灯报警模块分别与DSP控制板模块连接，电源模块分别与传感器模块和DSP控制板模块连接；所述的DSP控制板模块根据上位机端传输的操作指令打开相应的测量通道对模拟信号进行测量，并将模拟信号转换为数字信号后通过SCI通信方式传输给上位机端，SCI传输利用RS232接口连接。

2.根据权利要求1所述的模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：所述的电源模块采用URC240515D-30WR2模块。

3.根据权利要求1所述的模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：所述的电压传感器为LV25-P/SP5霍尔电压型传感器；电流传感器为LA55P霍尔电流型传感器；LV25-P/SP5霍尔电压型传感器和LA55P霍尔电流型传感器分别通过采样电路模块调理后形成0-3v的电压信号与DSP控制板模块的AD接口连接，DSP控制板模块中的AD模块将模拟信号转换为数字信号存储在DSP控制板模块中。

4.根据权利要求1所述的模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：所述的温度传感器为ADT7410温度传感器，与DSP3.3V输出电压引脚直接相连供电；ADT7410温度传感器输出数字信号与DSP之间采用I2C通信进行数据传输。

5.根据权利要求1所述的模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：所述的LED指示灯报警模块由LED灯和蜂鸣器组成；DSP控制板模块控制当某一测量通道被打开时点亮相应LED灯，当某一测量通道测量范围超过量程时对应的LED灯闪烁，且蜂鸣器发出警报声并自动关闭相应测量通道。

6.根据权利要求1所述的模拟信号实时采集传输显示系统，其特征在于：所述的数据以文档格式或者excel格式存储。