CN113552824A - 一种基于嵌入式的高速水力测功控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式的高速水力测功控制器，包括：控制箱，用于安装各种元器件；上位机，用于进行非实时工作，包括温度、转速、扭矩参数测试和计算、虚拟仪表显示、时域曲线显示、数据库管理、与主控单元的人机交互，实现数据的可视化输入、显示、保存、分析；主控单元，与所述上位机和水力测功器信号连接，用于负责完成输入信号的接入、采集、处理，输出各种模拟量信号和开关量信号，负责完成水力测功器控制功能，包括负责数据分析处理、数据包上传、模拟量采集、频率量采集等实时性工作；供电电源，用于为上位机和主控单元提供电力。本发明的各项性能达到很高的水平，精度高、误差小、实现了国产化、使用更方便、维护更容易。

Description

一种基于嵌入式的高速水力测功控制器

技术领域

本发明涉及水力测功控制器领域，特别地，涉及一种基于嵌入式的 高速水力测功控制器。

背景技术

高速水力测功系统具有转速高、体积小、响应快、转动惯量小等特点， 在航空动力、弹用动力、地面车载动力等高转速功率试验领域拥有广泛的 应用，是中小型航空发动机研发与制造领域中不可或缺的关键设备。长期 以来，由于高速水力测功系统技术难度大、研发条件特殊，国际上主要是 美国和英国两家公司开发了能满足中小型航空发动机试验所需的产品。

从上世纪80年代就开始引进使用国外的K型和H型高速水力测功系 统，近年来试验任务繁重，按照已有高速水力测功系统的使用寿命和维修 状态，存在难以保障试验任务完成的风险。为保障研制任务的顺利实施， 解决高速水力测功系统的自主保障问题，决定开展高速水力测功系统的研 制。

K型高速水力测功控制器是美国高速水力测功系统配套的控制器，该 控制器操作界面主要为按钮式，没有显示屏，界面不友好，只能显示瞬时 数据，无法显示历史数据，且在使用过程中易出现死机等问题；H型高速 水力测功控制器是英国高速水力测功系统配套的控制器，H型高速水力测 功控制器较稳定，但由于两款产品在维修、更换时使用的备件全部依赖进 口，修理周期长，费用高，已对航空发动机研究工作造成了很不利的影响。

发明内容

本发明提供了一种基于嵌入式的高速水力测功控制器，以解决现有 高速水力测功控制器全部依赖进口、修理周期长、费用高、操作不方便、 无法显示历史数据且用过程中易出现死机的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于嵌入式的高速水力测功控制器，包括：

控制箱，用于安装各种元器件；

上位机，用于进行非实时工作，包括温度、转速、扭矩参数测试和计 算，虚拟仪表显示、时域曲线显示、数据库管理、与主控单元的人机交互， 实现数据的可视化输入、显示、保存、分析；

主控单元，与所述上位机和水力测功器信号连接，用于负责完成输入 信号的接入、采集、处理，输出各种模拟量信号和开关量信号，负责完成 水力测功器控制功能，包括负责数据分析处理、数据包上传、模拟量采集、 频率量采集、指令接收处理、运算输出的实时性工作；

供电电源，用于为上位机和主控单元提供电力。

进一步地，所述上位机包括：

通讯模块，用于与主控单元通讯，接受主控单元上传的数据，下传相 关配置参数给主控单元；

数据采集显示模块，用于数据采集显示和监控功能，并绘制各个测量 参数－时间的试验曲线，通过复选功能可自由显示所需的参数—时间曲 线，实时监控曲线；

数据实时存储模块，用于实时存储数据；

参数调整模块，用于控制参数显示、调整功能，将控制参数保存到本 地上位机数据库表内，从本地数据库或主控单元读取控制参数，对控制参 数进行设置、修改、保存，将控制参数下载给主控单元；

通道校准模块，用于实现对各个通道的单独校准，包括模拟量输入通 道校准、控制阀门校准、变换转速扭矩通道校准、及校准检查；

PID参数整定模块，用于方便用户对扭矩控制模式以及转速控制模式 下PID参数进行快速调整；

实时报警模块，用于实时报警，记录试验中与报警有关的所有报警事 件，为试验后分析试验数据提供依据；

用户管理模块，用于用户管理，包括有管理员、操作员、高级管理员 三种权限级别用户。

进一步地，所述数据实时存储模块的数据保存最大速率为20Hz，保 存频率可改变，单次保存时间不小于1小时。

进一步地，所述报警事件包括报警发生、报警应答、报警恢复。

进一步地，所述实时报警模块的报警方式采用操作台声光报警和计算 机显示屏参数双重报警。

进一步地，所述主控单元包括：

微处理器模块，主要由嵌入式高性能微处理器及外围电路组成，用于 运行控制算法，按时序完成数据采集和运算输出、通信任务；

信号调理模块，用于将来自各传感器的原始信号进行转换、滤波，将 其变换为稳定的、微处理器模块能够接受的标准信号；

A/D转换模块，用于负责扭矩信号、扭矩激励源信号、远程给定信号、 进/出阀门位置信号的采集、处理、转换，将采集的模拟电压信号转换为数 字信号；

D/A转换模块，用于将微处理器模块运算输出的数字量信号变换成相 对应的模拟量信号，包括进/出水阀门控制信号、转速变换信号、扭矩变换 信号；

开关量输入/输出模块，负责开关量信号的调理及驱动；

通信模块，所述通信模块为RS232通信模块或RS485通信模块，用 于数据通信，微处理器自带USART通信控制器，只需要外围电路扩展相 应的电平转换模块即可实现通信；

数据存储模块，用于存储控制参数；

电源及隔离模块，包括二次电源和隔离模块，所述二次电源将从主控 单元外部输入24VDC电源经过滤波转换成主控单元需要的电压，包括 3.3VDC、5VDC、15VDC。

进一步地，所述信号调理模块包括：

转速信号调理模块，用于将转速传感器采集到的转速信号经过整形、 滤波后变成方波信号，再经比较器和隔离芯片转换为标准的3.3V方波信 号进入微处理器模块的频率采集端口，同时将调理后的转速信号还经过隔 离和转换，提供一路转速差分变换信号供实验台采集；

扭矩信号调理模块，用于将扭矩传感器采集的扭矩信号依次经过差分 滤波、放大后，形成0～10V的电压信号输出，供A/D转换模块采集；

编码器信号调理模块，用于将编码器信号调整为5V方波的正交编码 器脉冲信号，直接经过隔离即可转换成微处理器模块可以接受的信号。

进一步地，所述微处理器模块包括：

前台处理模块，用于负责数据分析处理、数据包上传的时效性要求不 高的任务；

后台处理模块，用于通过中断服务方式进行模拟量采集、频率量采集、 指令接收处理、运算输出的时效性要求较高的任务。

进一步地，所述前台处理模块包括主程序模块，所述主程序模块具体 用于：系统开始运行后，先进行系统初始化设置，对相关外设进行初始化， 打开相应中断，然后程序进行循环等待，执行运行过程中自检程序，在有 数据需要上传的时候执行数据包上传程序。

进一步地，所述后台处理模块包括：

定时器中断服务模块，用于使用定时器产生周期性的中断为控制器运 行提供时钟，在中断服务程序中执行模拟量AD值采集、开关量采集、数 据处理、PID运算、控制输出的时效性要求严格的任务；

频率量捕获中断服务模块，用于测量输入控制器的转速传感器调理后 的频率量信号，当定时器的输入捕获通道连续捕获到两个频率信号的上升 沿时，分别记录捕获时定时器的计数值，然后通过计算得出输入频率量的 周期，进而可计算出其频率值和对应的发动机转速值；

串口接收中断服务模块，用于接收上位机通过RS232或RS485接口 发送的操作指令，每接收到一个字节都会触发一次串口接收中断，串口接 收中断服务程序读取并缓存接收到的数据，查找数据包同步字，当找到同 步字并且数据量足够一个完整数据包时，对数据包进行校验，如果校验通 过，则为接收到正确指令，控制器执行相关指令；

滤波、插值子程序模块，用于通过均值滤波和线性插值从采集信号中 剔除毛刺信号，保留真实信号；

控制回路及模式切换模块，用于切换主控单元工作模式，并在主控单 元的当前工作模式下由对应的控制回路进行运算得到进/出水阀门的目标 开度，然后根据当前控制模式，选通对应的控制回路进行输出；其中，所 述工作模式包括阀门位置控制模式、恒转速、恒扭矩三种工作模式；切换 工作模式的瞬间，生效控制回路的给定值更新为当前的反馈值，同样由于 反馈值与目标误差为0，切换后生效的控制回路计算结果为维持当前阀门 开度不变，以实现工作模式无扰动切换；模式切换完成后，再通过控制器 面板上的旋钮改变目标值，或者通过外部模拟量给定信号改变目标值，反 馈值与目标值之间产生误差，主控单元随即调节阀门控制信号，控制测功 器到目标状态。

本发明具有如下有益效果：

本发明的高速水力测功控制器包括用于安装各种元器件的控制箱、上 位机、与所述上位机和水力测功器信号连接的主控单元、供电电源。由于 水力测功控制器工作任务包括实时性和非实时工作任务，上位机完成非实 时性工作任务有很大优势，而基于嵌入式操作系统的主控单元完成实时性 的工作任务有很大优势，因此，本发明采取上位机工作站和主控单元联合 工作的方式，发挥各自的优势，既实现了高速水力测功控制器各种功能， 同时还提高了高速水力测功控制器的性能，能使高速水力测功控制器各项 性能达到很高的水平，精度高、误差小，实现了高速水力测功控制器的国 产化，使用更方便，维护更容易。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目 的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明优选实施例基于嵌入式的高速水力测功控制器示意图； 图2是本发明优选实施例的主控单元组成框图；图3是本发明优选实施例 的转速信号调理电路示意图；图4是本发明优选实施例的扭矩传感器激励 电路示意图；图5是本发明优选实施例的扭矩信号调理电路示意图；图6 是本发明优选实施例的ADuM2400芯片原理示意图；图7是本发明优选 实施例的开关量输入信号调理电路示意图；图8是本发明优选实施例的开 关量输出驱动电路示意图；图9是本发明优选实施例的RS232隔离通信电 路示意图；图10是本发明优选实施例的24AA512芯片构成框图；图11 是本发明优选实施例的主程序流程图；图12是本发明优选实施例的中断 服务程序流程图；图13是本发明优选实施例的频率量捕获中断服务程序 流程图；图14是本发明优选实施例的串口接收中断服务程序流程图；图 15是本发明优选实施例的滤波子程序流程图；图16是本发明优选实施例 的线性插值计算示意图；图17是本发明优选实施例的插值子程序流程图； 图18是本发明优选实施例的控制回路原理示意图；图19是本发明优选实 施例的监控软件逻辑示意图；图20是本发明优选实施例的主操纵界面示 意图；图21是本发明优选实施例的监视界面示意图；图22是本发明优选 实施例的文件配置界面示意图；图23是本发明优选实施例的校准参数配 置界面示意图；图24是本发明优选实施例的数据日志界面示意图；图25 是本发明优选实施例的PID整定界面示意图；图26是本发明优选实施例 的通道校准参数配置界面示意图；图27是本发明优选实施例的通道状态 表界面示意图；图28是本发明优选实施例的高速水力测功控制器恒转速/扭矩控制系统方框图；图29是本发明优选实施例的高速水力测功控制器 与国外K型控制器转速控制精度对比示意图；图30是本发明优选实施例 的高速水力测功控制器与国外K型控制器扭矩控制精度对比示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的 特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于嵌入式的高速水力测 功控制器，包括：

控制箱，用于安装各种元器件；

上位机，用于进行非实时工作，包括温度、转速、扭矩参数测试和计 算，虚拟仪表显示、时域曲线显示、数据库管理、与主控单元的人机交互， 实现数据的可视化输入、显示、保存、分析；

主控单元，与所述上位机和水力测功器信号连接，用于负责完成输入 信号的接入、采集、处理，输出各种模拟量信号和开关量信号，负责完成 水力测功器控制功能，包括负责数据分析处理、数据包上传、模拟量采集、 频率量采集、指令接收处理、运算输出的实时性工作；

供电电源，用于为上位机和主控单元提供电力。

本实施例的高速水力测功控制器包括用于安装各种元器件的控制箱、 上位机、与所述上位机和水力测功器信号连接的主控单元、供电电源。由 于水力测功控制器工作任务包括实时性和非实时工作任务，上位机完成非 实时性工作任务有很大优势，而基于嵌入式操作系统的主控单元完成实时 性的工作任务有很大优势，因此，本发明采取上位机工作站和主控单元联 合工作的方式，发挥各自的优势，既实现了高速水力测功控制器各种功能，同时还提高了高速水力测功控制器的性能，能使高速水力测功控制器各项 性能达到很高的水平，精度高、误差小，实现了高速水力测功控制器的国 产化，使用更方便，维护更容易。

如图2所示，在本发明的优选实施例中，所述主控单元包括：

微处理器模块，主要由嵌入式高性能微处理器及外围电路组成，用于 运行控制算法，按时序完成数据采集和运算输出、通信任务，微处理器选 用ST公司生产的STM32F76芯片，该芯片采用ARM Cortex M7内核，最 高216MHz工作频率，自带双精度硬件浮点单元，具有512KB SRAM、 1024KB FLASH、15个定时器、6个SPI、4个IIC、4个串口、1个USB、 3个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个F.S.MC接口以及132 个通用IO口；

信号调理模块，用于将来自各传感器的原始信号进行转换、滤波，将 其变换为稳定的、微处理器模块能够接受的标准信号，具体地，所述信号 调理模块包括：

转速信号调理模块，用于将转速传感器采集到的转速信号经过整形、 滤波后变成方波信号，再经比较器和隔离芯片转换为标准的3.3V方波信 号进入微处理器模块的频率采集端口，同时将调理后的转速信号还经过隔 离和转换，提供一路转速差分变换信号供实验台采集，如图3所示，微处 理器以36MHz的频率对转速信号进行采样，通过分频和滤波处理，可确 保频率30kHz以内的采集精度达到0.01％F.S。图3中，转速传感器输出的 电信号流过电阻R145形成电流回路；电阻R142、R143和电容C131、C132 构成二阶RC滤波电路，滤除传感器信号中的毛刺；二极管D13～D16用 于限制信号幅值；比较器U21的输出端通过电阻R149反馈到输入端，形 成滞回比较电路；电阻R146、R148、R149、R141共同确定滞回比较电路 的翻转阈值；比较器的输出经过光电隔离器U23后形成与转速传感器信号 频率相同的标准方波信号，供单片机采集；同时比较器的输出经过光电隔 离器U22后，再经过差分驱动器U20形成一路与转速传感器信号频率相 同的标准差分信号备用；

扭矩信号调理模块，用于将扭矩传感器采集的扭矩信号依次经过差分 滤波、放大后，形成0～10V的电压信号输出，供A/D转换模块采集，电 路如图4所示。本实施例选用REF5010ID作为电压基准芯片U10，其精 度可达0.05％，温漂仅为3ppm/℃，纹波系数仅为0.00003Vpp。选用 LME49610作为功率放大芯片，其输出电流可达250mA，与运放组合构成闭环跟随形式输出，总谐波损失和噪声仅为0.0005％，具有相当高的驱动 能力和精度。同时，从传感器端直接连线测量实际施加到扭矩传感器两端 的电压，以排除线路阻抗的影响，提高信号采集的精度。电压基准芯片U10输出10V电压基准，经过由运放芯片U14和功放芯片U9构成的驱动 电路输出；扭矩传感器输出信号为0～20mV的微弱电压信号，先经过差分 滤波电路，再使用高精度仪表放大器进行放大，将其转换为0～10V范围的 电压信号，再由ADC芯片进行采集，如图5所示。选用INA188芯片对 信号进行放大，该芯片是一款精密零漂移、轨到轨输出的仪表放大器，噪 声仅为0.25uVpp，扭矩传感器信号经过由电阻R82、R84和电容C86、C88、 C90组成的差分滤波电路，再经过由仪表放大器U13进行放大，形成0～10V的电压信号输出，供模数转换电路采集；

编码器信号调理模块，用于将编码器信号调整为5V方波的正交编码 器脉冲信号，直接经过隔离即可转换成微处理器模块可以接受的信号，本 实施例选用ADI公司的ADuM2400芯片进行隔离，它是一种4通道磁耦 合的隔离芯片，如图6所示；

A/D转换模块，用于负责扭矩信号、扭矩激励源信号、远程给定信号、 进/出阀门位置信号的采集、处理、转换，将采集的模拟电压信号转换为数 字信号，本实施例的A/D转换模块选用TI公司的ADS8698芯片，它具有 8通道18位A/D转换功能，采样速率高达500kSPS，采用SPI接口与微 处理器进行连接。该A/D转换模块负责完成扭矩信号、扭矩激励源信号、远程给定信号、进/出阀门位置信号的采集、处理、转换，理论采集精度为 0.01％F.S.；

D/A转换模块，用于将微处理器模块运算输出的数字量信号变换成相 对应的模拟量信号，包括进/出水阀门控制信号、转速变换信号、扭矩变换 信号，本实施例的D/A转换模块选用ADI公司的AD5422芯片，它可配 置输出范围为0～10VDC或4～20mA，转换精度为16位，采用SPI接口 与微处理器进行连接。D/A转换模块负责输出进/出水阀门控制信号、转速变换信号、扭矩变换信号，电流输出精度为：±0.1％F.S.，电压输出精度为 ±0.05％F.S.；

开关量输入/输出模块，负责开关量信号的调理及驱动，如图7所示， 本实施例的开关量输入信号调理电路由电阻R1、R87和电容C96组成， 由网络DI1输出供单片机采集；当开关断开时，电容充电，电路输出高电 平信号；当开关闭合时，电容放电，电路输出低电平信号，如图8所示， 本实施例的开关量输出驱动电路由达林顿阵列和继电器组成，单片机输出 的开关量信号经过达林顿阵列芯片U31驱动继电器的线圈，由继电器的触 点对外输出，本实施例的开关量输出要求输出信号为无源触点，采用机械 继电器输出，由达林顿阵列芯片驱动8路继电器，继电器的输出端引出公 共端、常开、常闭触点以满足实际应用需求；

通信模块，所述通信模块为RS232通信模块或RS485通信模块，用 于数据通信，微处理器自带USART通信控制器，只需要外围电路扩展相 应的电平转换模块即可实现通信，所述RS232通信模块使用金升阳公司的 TD301D232H模块，RS232通信模块隔离通信电路如图9所示。该模块均 自带隔离和总线保护功能，通信速率高达115200bps；

数据存储模块，用于存储控制参数，如图10所示，本实施例使用 MICROCHIP公司的24AA512芯片，它是一种IIC接口的EEPROM存储 器，容量达64kB，数据存储寿命达200年；

电源及隔离模块，包括二次电源和隔离模块，所述二次电源将从主控 单元外部输入24VDC电源经过滤波转换成主控单元需要的电压，包括 3.3VDC、5VDC、15VDC，本实施例选用的电源模块为金升阳公司的 URB2415ZP-6WR2，WRF2405P-3WR2，WRF2403P-3WR2。

在本发明的优选实施例中，所述微处理器模块包括：

前台处理模块，用于负责数据分析处理、数据包上传的时效性要求不 高的任务；

后台处理模块，用于通过中断服务方式进行模拟量采集、频率量采集、 指令接收处理、运算输出的时效性要求较高的任务。

本实施例的微处理器模块，采用前后台框架设计，包括前台处理模块 和后台处理模块，前台处理模块负责数据分析处理、数据包上传等时效性 要求不高的任务，后台处理模块为中断服务程序，负责模拟量采集、频率 量采集、指令接收处理、运算输出等时效性要求较高的任务，前台处理模 块和后台处理模块发挥各自的优势，能使高速水力测功控制器各项性能达 到很高的水平。

具体地，所述前台处理模块包括主程序模块，所述主程序模块具体用 于：系统开始运行后，先进行系统初始化设置，对相关外设进行初始化， 打开相应中断，然后程序进行循环等待，执行运行过程中自检程序，在有 数据需要上传的时候执行数据包上传程序，具体流程如图11所示。

具体地，所述后台处理模块包括：

定时器中断服务模块，用于使用定时器产生周期性的中断为控制器运 行提供时钟，在中断服务程序中执行模拟量AD值采集、开关量采集、数 据处理、PID运算、控制输出的时效性要求严格的任务，具体流程如图12 所示；

频率量捕获中断服务模块，用于测量输入控制器的转速传感器调理后 的频率量信号，当定时器的输入捕获通道连续捕获到两个频率信号的上升 沿时，分别记录捕获时定时器的计数值，然后通过计算得出输入频率量的 周期，进而可计算出其频率值和对应的发动机转速值，具体流程如图13 所示；

串口接收中断服务模块，用于接收上位机通过RS232或RS485接口 发送的操作指令，每接收到一个字节都会触发一次串口接收中断，串口接 收中断服务程序读取并缓存接收到的数据，查找数据包同步字，当找到同 步字并且数据量足够一个完整数据包时，对数据包进行校验，如果校验通 过，则为接收到正确指令，控制器执行相关指令，具体流程如图14所示；

滤波、插值子程序模块，用于通过均值滤波和线性插值从采集信号中 剔除毛刺信号，保留真实信号，每个传感器采集的数据存储在特定的数据 缓冲区中，当缓冲区填满时，设置数据处理标志位，主程序读取到数据处 理标志后执行滤波和插值程序。滤波子程序模块采用均值滤波，先对数据 缓冲区中的数据进行排序，然后去掉其中的最大值和最小值，对其余数据 求平均值，滤波具体流程图如图15所示。插值子程序采用线性插值，方 法如下：已知Y-X的关系见表1及图16，通过X求Y。

表1 Y-X关系

X1	……	Xa	Xb	……
					Y1	……	Ya	Yb	……

注：(表中X1<…<Xa<Xb<…)

在软件设计中,先通过循环比较找出X的相邻两点Xa和Xb，然后根 据插值公式计算出Y，具体流程如图17所示；

控制回路及模式切换模块，用于切换主控单元工作模式，并在主控单 元的当前工作模式下由对应的控制回路进行运算得到进/出水阀门的目标 开度，然后根据当前控制模式，选通对应的控制回路进行输出，具体如图18所示；其中，所述工作模式包括阀门位置控制模式、恒转速、恒扭矩三 种工作模式，未生效的回路使用当前的反馈值作为目标值，这种情况下， 由于反馈值与目标误差为0，回路计算结果为维持当前阀门开度不变。切 换工作模式的瞬间，生效控制回路的给定值更新为当前的反馈值，同样由 于反馈值与目标误差为0，切换后生效的控制回路计算结果为维持当前阀 门开度不变，以实现工作模式无扰动切换；模式切换完成后，再通过控制 器面板上的旋钮改变目标值，或者通过外部模拟量给定信号改变目标值， 反馈值与目标值之间产生误差，主控单元随即调节阀门控制信号，控制测 功器到目标状态。

在本发明的优选实施例中，上位机选用工业触摸平板电脑，安装WIN7 操作系统，能流畅运行软件开发组件，所述上位机包括：

通讯模块，用于与主控单元通讯，接受主控单元上传的数据，下传相 关配置参数给主控单元；

数据采集显示模块，用于数据采集显示和监控功能，并绘制各个测量 参数－时间的试验曲线，通过复选功能可自由显示所需的参数—时间曲 线，实时监控曲线；

数据实时存储模块，用于实时存储数据，所述数据实时存储模块的数 据保存最大速率为20Hz，保存频率可改变，单次保存时间不小于1小时。

参数调整模块，用于控制参数显示、调整功能，将控制参数保存到本 地上位机数据库表内，从本地数据库或主控单元读取控制参数，对控制参 数进行设置、修改、保存，将控制参数下载给主控单元；

通道校准模块，用于实现对各个通道的单独校准，包括模拟量输入通 道校准、控制阀门校准、变换转速扭矩通道校准、及校准检查；

PID参数整定模块，用于方便用户对扭矩控制模式以及转速控制模式 下PID参数进行快速调整；

实时报警模块，用于实时报警，记录试验中与报警有关的所有报警事 件，所述报警事件包括报警发生、报警应答、报警恢复，为试验后分析试 验数据提供依据，报警方式采用操作台声光报警和计算机显示屏参数双重 报警；

用户管理模块，用于用户管理，包括有管理员、操作员、高级管理员 三种权限级别用户。

上位机软件基于LabView平台编程开发，在上位机上运行。本软件设 计原则主要体现在开放性、先进性、灵活性、高效性、可靠性和安全性、 规范性和统一性等六个方面，详细描述如下：

1)开放性：开发技术是开放的，在软件的设计开发上均使用目前国际 上成熟先进的技术，采用符合开放性国际标准和规范的开发运行平台。

2)先进性：进行软件分析设计时，融入二元结构的思想，使得脚本嵌 套层次至多为两层；引入分布式工作模式，建立小型工作网络，提高测试 效率。

3)灵活性：采用对象参数化、场景参数化、任务管理器、图形化工作 流和工作流调度等。

4)高效性：在对象侦测过程中，同时侦测多个控件，提高侦测效率， 进行协作测试，提高工作效率；

5)可靠性和安全性：从多方面进行可靠性和安全性的考虑，对测试过 程和结果进行保存。

6)规范性和统一性：系统满足国家、行业等制定的相关规范的要求。

上位机监控软件逻辑：

上位机监控软件是综合智能化系统。主要包含温度、转速、扭矩等参 数测试、计算，虚拟仪表显示，时域曲线显示，数据库管理等功能。

监控软件主要分为表述层，业务逻辑层，数据库层。表述层包括提供 与用户交互的界面，GUI(图形用户界面)等，而业务逻辑层主要用于实 现各种业务逻辑，包括原始模拟量采集，信号转换，信号配置等。数据库 层则负责存放和管理应用的持久性业务数据。软件逻辑图见图19，实现以 下功能:

1)完成水力测功系统所有数据的采集、整合，以及与试车台数采系统 的通讯。

2)以表格和曲线的形式实时显示各项试验参数、各设备状态、物理量 实测值，显示数据为真实物理量(国际单位制)，具有实时数据处理功能。

3)数据采集系统有故障信息储存功能，即能及时储存发生故障前的所 有数据，同时存储并分析采集系统本身故障。数据采集系统需具有事后信 息转储功能。

4)数据采集系统将采集数据、设备状态、故障信息能够保存在本地计 算机。

5)测试过程或测试程序结束后，完成所有的计算，以数字和图像形式 处理测量数据。

6)数据采集系统中传感器标定使用多点标定曲线拟合方式，最多可设 定20个标定点，避免两点标定而可能产生的误差增大。

7)采集的数据通道具有数据编辑功能，即各独立的通道根据需要可以 进行函数编辑，该数据可以实时显示。

8)可通过表格和曲线的形式随时查看保存在数据库中的历史数据，操 作方便。可将数据库中的任意数据段导出到excel或txt等格式文件，生成 报表。数据库中的原始数据不可修改。

具体的，上位机软件主要画面包括主操纵画面、监视界面、文件配置 界面、数据日志界面、PID整定画面、通道校准界面以及通道状态表界面 等，其中：

1)主操纵界面

如图20所示，所述主操纵界面包括四个功能区域，测功器参数显示 区1、控制器通信状态区2、控制器报警设置区3、测功器状态指示区4。

2)监视界面

如图21所示，所述监视界面包括主要参数的显示。

3)文件配置界面

如图22所示，所述文件配置界面包括工作模式配置与校准参数配置， 包括工作模式选择、工作参数修改保存；该软件可保存至多五种工作模式， 可通过“向上”、“向下”功能按钮选择不同工作模式；通过“保存下载” 功能按钮将当前工作参数下载至控制器；同时可以通过右下方的输入框修 改当前工作参数，并通过“参数保存”按钮下载至控制器。校准参数配置 界面如图23，包括8路模拟量输入通道的校准参数、4路模拟量输出通道 的校准参数以及1路频率信号校准参数；用户可以通过“通道校准”界面 校准每一个通道。

4)数据日志界面

如图24所示，所述数据日志界面包括测功器主要参数的波形显示、 记录、存储功能；包括转速、转速设定、扭矩、扭矩设定、功率、阀位设 定值、出水阀位置、进水阀位置等八个通道的数据记录存储。用户可以通 过下方图形工具修改界面显示模式；用户可选择1、10、20HZ三种速率 存储数据，数据以TDMS格式存储。

5)PID整定界面

如图25所示，所述PID整定界面提供了便捷的PID参数调整功能， 便于用户对扭矩控制模式以及转速控制模式下PID参数进行快速调整，如 图25所示，区域1为控制器状态指示；区域2为控制参数显示，便于用 户及时看到整定效果；区域3为设定点设置，通常情况下，测功器设定值 由控制器上旋钮给定，只有在整定模式且面板锁定情况下，可通过上位机 监控软件给定；用户可以通过输入框输入阶跃值，通过向上或向下按钮改 变设定点，或者通过下方表格实现特定函数，通过“运行”按钮重复改变 给定。区域4为PID参数调整区域，用户可分别调整Kp、Ki、Kd参数。

6)通道校准界面

如图26所示，所述通道校准界面包括了模拟量输入通道校准、控制 阀门校准、变换转速扭矩通道校准以及校准检查功能。用户可通过该界面 实现对各个通道的单独校准。

7)通道状态表界面

如图27所示，所述通道状态表界面包括了模拟量状态表、开关量状 态表、开关量检查、监控参数、校准参数等全部测功器信息。模拟量状态 表包括了全部模拟量输入输出通道基本信息、校准参数，当前测量值；开 关量状态表包括了全部控制器开关量输入输出通道状态以及主控板状态； 开关量检查功能用于检查所有开关量输出通道功能，用户可强制继电器闭 合或打开，必要时可用于检查功能完好；监控参数包括全部下位机上传监 控参数。

本发明的关键点和难点均在如何实现水力测功系统的恒转速和恒扭 矩控制模式，其恒转速/扭矩控制系统方框图见图28，包括：

1)转速信号的测量

恒转速控制时，转速信号作为外部闭环控制的反馈值，转速信号检测 的准确性和稳定性是外环PID控制的基础和保证。为确保转速信号的测量 稳定和准确，当前转速检测是通过磁电转速传感器实现的，磁电式转速传 感器是将转速转变为正旋波信号，通过处理将正旋波转换为方波，通过 频率计数功能，实现对转速的测量。目前该技术为所掌握，已能实现高转 速的测量，精度可保证在±0.01％F.S.。

2)扭矩信号的测量

恒扭矩控制时，扭矩信号作为外部闭环控制的反馈值，扭矩信号检测 的准确性和稳定性是外环PID控制的基础和保证。目前K型测控系统扭 矩检测传感器是利用应力应变片进行检测的，要提供激励电源，输出是毫 伏信号，该扭矩检测传感器结构复杂，价格高，抗干扰能力和精度都不是 很理想。本发明对扭矩信号处理要在硬件滤波和软件滤波两方面做工作， 确保扭矩信号采集稳定、准确。

3)高速水力测功控制器的稳定性、可靠性

高速水力测功控制器负责采集转速、扭矩等信号，输出进/出水阀门控 制信号，实现恒转速/扭矩控制的外环PID控制。自行设计的高速水力测 功控制器，，要保持很高的稳定性、可靠性是不容易的，设计过程中要考 虑很多因素，同时还要进行各种测试，最后要经过长时间使用考验，才能 判断控制器是否稳定、可靠。

4)高速水力测功控制器恒转速/扭矩控制策略的实现。

在对水力测功器吸功原理进行深入分析，得到水力测功器吸功与进/ 出水阀门位置之间的关系，通过对被控对象进行分析，建数学模型，然后 通过相关仿真软件进行仿真，摸索合适的PID控制策略。

本发明的实施例具有如下技术特点：

1)本发明的实施例融合多学科的专业技术知识，实现了高速水力测功 控制器各项控制功能；

2)本发明的实施例公开了高速水力测功控制器的硬件设计方案，主控 单元是专门为高速水力测功控制器而全新研制的，是高速水力测功控制器 的核心；

3)本发明的实施例公开了高速水力测功控制器上位机监控软件开发 过程，该套软件很好地实现了与下位机主控单元的通讯。通过各种通讯， 实现了对各种数据采集、处理、显示、保存、回放，也实现了设备状态的 监控功能；

4)本发明的实施例公开了高速水力测功控制器主控单元的实时控制 软件开发过程，功能实现的流程图；该套实时控制软件实现了控制器的各 种控制功能，同时将各种相关数据上传给上位机。

上位机和基于嵌入式操作系统的主控单元联合工作的好处如下：

1)上位机是一台工业触摸平板电脑，其功能很强大，可直接在此电 脑上运行功能强大监控软件；功能强大的监控软件可很好解决人机交互问 题，可很容易实现数据的可视化输入、显示、保存、分析等功能；上位机 能独立完成许多非实时的工作任务，并且可靠性高；同时减少下位机主控 单元的工作任务。

2)基于嵌入式操作系统的主控单元，在硬件方面可专门自主研制一 块适合高速水力测功控制器的控制单元，在软件方面可专门开发一套适合 高速水力测功控制器实时控制的控制软件。

因为水力测功控制器工作任务包括实时性和非实时工作任务，上位机 完成非实时性工作任务有很大优势，而基于嵌入式操作系统的主控单元完 成实时性的工作任务有很大优势，故选它们联合工作，发挥各自的优势， 能使高速水力测功控制器各项性能达到很高的水平。

经过使用验证，本发明已完全可以替代国外高速水力测功控制器，控 制精度、动态响应等指标均达到国外水平，部分指标优于国外控制器的指 标。(图29橫坐标代表转速大小，单位为转/分钟，纵坐标代表转速控制精 度，图30橫坐标代表扭矩大小，单位为：N.m，纵坐标代表扭矩控制精度。)

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于，包括：

控制箱，用于安装各种元器件；

上位机，用于进行非实时工作，包括温度、转速、扭矩参数测试和计算、虚拟仪表显示、时域曲线显示、数据库管理、与主控单元的人机交互，实现数据的可视化输入、显示、保存、分析；

主控单元，与所述上位机和水力测功器信号连接，用于负责完成输入信号的接入、采集、处理，输出各种模拟量信号和开关量信号，负责完成水力测功器控制功能，包括负责数据分析处理、数据包上传、模拟量采集、频率量采集、指令接收处理、运算输出的实时性工作；

供电电源，用于为上位机和主控单元提供电力。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于，所述上位机包括：

通讯模块，用于与主控单元通讯，接受主控单元上传的数据，下传相关配置参数给主控单元；

数据采集显示模块，用于数据采集显示和监控功能，并绘制各个测量参数－时间的试验曲线，通过复选功能可自由显示所需的参数—时间曲线，实时监控曲线；

数据实时存储模块，用于实时存储数据；

参数调整模块，用于控制参数显示、调整功能，将控制参数保存到本地上位机数据库表内，从本地数据库或主控单元读取控制参数，对控制参数进行设置、修改、保存，将控制参数下载给主控单元；

通道校准模块，用于实现对各个通道的单独校准，包括模拟量输入通道校准、控制阀门校准、变换转速扭矩通道校准、及校准检查；

PID参数整定模块，用于方便用户对扭矩控制模式以及转速控制模式下PID参数进行快速调整；

实时报警模块，用于实时报警，记录试验中与报警有关的所有报警事件，为试验后分析试验数据提供依据；

用户管理模块，用于用户管理，包括有管理员、操作员、高级管理员三种权限级别用户。

3.根据权利要求2所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于：所述数据实时存储模块的数据保存最大速率为20Hz，保存频率可改变，单次保存时间不小于1小时。

4.根据权利要求2所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于：所述报警事件包括报警发生、报警应答、报警恢复。

5.根据权利要求2所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于：所述实时报警模块的报警方式采用操作台声光报警和计算机显示屏参数双重报警。

6.根据权利要求2所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于，所述主控单元包括：

微处理器模块，主要由嵌入式高性能微处理器及外围电路组成，用于运行控制算法，按时序完成数据采集和运算输出、通信任务；

信号调理模块，用于将来自各传感器的原始信号进行转换、滤波，将其变换为稳定的、微处理器模块能够接受的标准信号；

A/D转换模块，用于负责扭矩信号、扭矩激励源信号、远程给定信号、进/出阀门位置信号的采集、处理、转换，将采集的模拟电压信号转换为数字信号；

D/A转换模块，用于将微处理器模块运算输出的数字量信号变换成相对应的模拟量信号，包括进/出水阀门控制信号、转速变换信号、扭矩变换信号；

开关量输入/输出模块，负责开关量信号的调理及驱动；

通信模块，所述通信模块为RS232通信模块或RS485通信模块，用于数据通信，其微处理器自带USART通信控制器，只需要外围电路扩展相应的电平转换模块即可实现通信；

数据存储模块，用于存储控制参数；

电源及隔离模块，包括二次电源和隔离模块，所述二次电源将从主控单元外部输入24VDC电源经过滤波转换成主控单元需要的电压，包括3.3VDC、5VDC、15VDC。

7.根据权利要求6所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于，所述信号调理模块包括：

转速信号调理模块，用于将转速传感器采集到的转速信号经过整形、滤波后变成方波信号，再经比较器和隔离芯片转换为标准的3.3V方波信号进入微处理器模块的频率采集端口，同时将调理后的转速信号还经过隔离和转换，提供一路转速差分变换信号供实验台采集；

扭矩信号调理模块，用于将扭矩传感器采集的扭矩信号依次经过差分滤波、放大后，形成0～10V的电压信号输出，供A/D转换模块采集；

编码器信号调理模块，用于将编码器信号调整为5V方波的正交编码器脉冲信号，直接经过隔离即可转换成微处理器模块可以接受的信号。

8.根据权利要求6所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于，所述微处理器模块包括：

前台处理模块，用于负责数据分析处理、数据包上传的时效性要求不高的任务；

后台处理模块，用于通过中断服务方式进行模拟量采集、频率量采集、指令接收处理、运算输出的时效性要求较高的任务。

9.根据权利要求8所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于：所述前台处理模块包括主程序模块，所述主程序模块具体用于：系统开始运行后，先进行系统初始化设置，对相关外设进行初始化，打开相应中断，然后程序进行循环等待，执行运行过程中自检程序，在有数据需要上传的时候执行数据包上传程序。

10.根据权利要求9所述的基于嵌入式的高速水力测功控制器，其特征在于：所述后台处理模块包括：

定时器中断服务模块，用于使用定时器产生周期性的中断为控制器运行提供时钟，在中断服务程序中执行模拟量AD值采集、开关量采集、数据处理、PID运算、控制输出的时效性要求严格的任务；

频率量捕获中断服务模块，用于测量输入控制器的转速传感器调理后的频率量信号，当定时器的输入捕获通道连续捕获到两个频率信号的上升沿时，分别记录捕获时定时器的计数值，然后通过计算得出输入频率量的周期，进而可计算出其频率值和对应的发动机转速值；

串口接收中断服务模块，用于接收上位机通过RS232或RS485接口发送的操作指令，每接收到一个字节都会触发一次串口接收中断，串口接收中断服务程序读取并缓存接收到的数据，查找数据包同步字，当找到同步字并且数据量足够一个完整数据包时，对数据包进行校验，如果校验通过，则为接收到正确指令，控制器执行相关指令；

滤波、插值子程序模块，用于通过均值滤波和线性插值从采集信号中剔除毛刺信号，保留真实信号；

控制回路及模式切换模块，用于切换主控单元工作模式，并在主控单元的当前工作模式下由对应的控制回路进行运算得到进/出水阀门的目标开度，然后根据当前控制模式，选通对应的控制回路进行输出；其中，所述工作模式包括阀门位置控制模式、恒转速、恒扭矩三种工作模式；切换工作模式的瞬间，生效控制回路的给定值更新为当前的反馈值，同样由于反馈值与目标误差为0，切换后生效的控制回路计算结果为维持当前阀门开度不变，以实现工作模式无扰动切换；模式切换完成后，再通过控制器面板上的旋钮改变目标值，或者通过外部模拟量给定信号改变目标值，反馈值与目标值之间产生误差，主控单元随即调节阀门控制信号，控制测功器到目标状态。

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