專利名稱：一種實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種伺服電機控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術：
在構建伺服電機控制系統(tǒng)或進行伺服電機控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試時，工程技術人員往往需要獲取電機的目標轉(zhuǎn)速、反饋轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速誤差、轉(zhuǎn)子位置、電機繞組即時電流以及逆變器的直流電壓等實時參數(shù)，這些參數(shù)的實時性要求通常在微秒級。為了滿足實時性要求，數(shù)字信號控制器需采用高速總線接口與計算機進行通信。同時，為了方便操作人員對這些參數(shù)進行觀察，需采用相應的應用軟件讀取高速總線上的數(shù)據(jù)，并在用戶界面上顯示這些參數(shù)的實時值或?qū)崟r曲線。目前的實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置多采用UART接口完成數(shù)字信號控制器與計算機之 間的通信，數(shù)字信號控制器片內(nèi)集成UART接口可以直接與計算機的RS232總線接口通信。RS232總線協(xié)議簡單，但通信速率最高僅230. 4Kbps，難以滿足較高的實時性要求，且易受干擾、可靠性不高，通信時數(shù)據(jù)的打包與解包過程也相對繁瑣，故伺服電機實時監(jiān)測系統(tǒng)不適于采用這種通信方式。USB全稱Universal Serial Bus (通用串行總線)，是一種新型的計算機總線接口，在2000年發(fā)布的USB2. 0規(guī)范中最高傳輸速度已經(jīng)達到了 480Mbps (即60MB/s)，目前在消費電子產(chǎn)品以及智能測控領域得到了廣泛應用，USB總線技術使得計算機和外部設備的連接十分方便。然而，現(xiàn)今的數(shù)字信號控制器內(nèi)卻沒有集成USB總線接口，限制了其在伺服電機實時監(jiān)控領域的應用?，F(xiàn)今主流的數(shù)字信號控制器如Mircochip公司的dsPIC30F系列和TexasInstruments公司的TMS320C2000系列，其片內(nèi)集成的通信速率相對較高的接口通常是SPI總線接口，SPI總線接口通信速率最高可達30Mb/s，可基本滿足伺服電機監(jiān)測系統(tǒng)的實時性要求，但是由于計算機上沒有SPI總線接口，數(shù)字信號處理器無法與計算機直接通信，增加了采用此種通信方式的伺服電機實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計難度。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術由于數(shù)字信號控制器與計算機的通信速率有限與可靠性低等不足，本實用新型提供一種伺服電機控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置，可顯著提高數(shù)字信號控制器與計算機的通信速率與可靠性，操作方便，適應性強，工作可靠，且成本較低。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是包括供電電路、隔離電路(采用高速光電耦合器隔離)、復雜可編程邏輯器件、USB設備控制器和電可擦除存儲器。該轉(zhuǎn)換裝置采用USB總線電源供電而無需單獨提供電源。供電電路將USB總線提供的5V電壓變換成3. 3V電壓，一方面為高速光電耦合器隔離電路的副邊與復雜可編程邏輯器件提供電源，另一方面為USB設備控制器提供電源。高速光電耦合器隔離電路對SPI總線的時鐘信號、數(shù)據(jù)信號、SPI從設備選擇信號進行數(shù)字隔離，復雜可編程邏輯器件接收經(jīng)高速光電耦合器隔離后的數(shù)據(jù)信號(數(shù)據(jù)位)，并由下載至復雜可編程邏輯器件內(nèi)部的程序?qū)⒚?6個數(shù)據(jù)位(bit)組合成一個數(shù)據(jù)字(Word)然后將其發(fā)送至USB設備控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。USB設備控制器電路將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過USB2.0總線發(fā)送至計算機；電可擦除存儲器電路在整個轉(zhuǎn)換裝置上電時將存儲在電可擦除存儲器內(nèi)的USB設備控制器固件代碼下載至USB設備控制器內(nèi)以使其完成初始化及配置。本實用新型的有益效果是本實用新型設計的裝置可以顯著提高數(shù)字信號控制器與計算機之間的通信速率，數(shù)字信號控制器SPI接口與可編程復雜邏輯器件之間通信速率為30Mb/s，總體通信速率為521KB/S，完全滿足伺服電機控制系統(tǒng)監(jiān)測的實時性要求。計算機可以顯示伺服電機多種參數(shù)的實時曲線，更加直觀的反應出伺服電機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)伺服電機控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測，為工程技術人員完成伺服電機控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護提供了便利。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖I是本實用新型的總體結構示意圖圖中，I-數(shù)字信號控制器；2-數(shù)字信號控制器內(nèi)的SPI總線接口 ；3-高速光電耦合器；4_復雜可編程邏輯器件；5-USB設備控制器；6-USB設備內(nèi)的端點緩沖區(qū)；7_計算機內(nèi)的USB主控制器；8_計算機；9_供電電路；10_電可擦除存儲器電路；11_上位機軟件。圖2是本實用新型中的復雜可編程邏輯器件功能示意圖。圖中，3-高速光電耦合器；4_復雜可編程邏輯器件；6_USB設備端點緩沖區(qū)。
具體實施方式
本實用新型包括總線接口轉(zhuǎn)換器(將SPI總線接口轉(zhuǎn)換為USB總線接口)和上位機軟件。其中，總線接口轉(zhuǎn)換器包括供電電路、隔離電路(采用高速光電耦合器隔離)、復雜可編程邏輯器件、USB設備控制器和電可擦除存儲器。該轉(zhuǎn)換裝置采用USB總線電源供電而無需單獨提供電源。供電電路將USB總線提供的5V電壓變換成3. 3V電壓，一方面為高速光電耦合隔離電路的副邊與復雜可編程邏輯器件提供電源，另一方面為USB設備控制器提供電源。高速光電耦合器隔離電路對SPI總線的時鐘信號、數(shù)據(jù)信號、SPI從設備選擇信號進行數(shù)字隔離，復雜可編程邏輯器件接收經(jīng)高速光電耦合器隔離后的數(shù)據(jù)信號(數(shù)據(jù)位)，并由下載至復雜可編程邏輯器件內(nèi)部的程序?qū)⒚?6個數(shù)據(jù)位(bit)組合成一個數(shù)據(jù)字(Word)然后將其發(fā)送至USB設備控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。USB設備控制器電路將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過USB2. 0總線發(fā)送至計算機；電可擦除存儲器電路在整個裝置上電時將存儲在電可擦除存儲器內(nèi)的USB設備控制器固件代碼下載至USB設備控制器內(nèi)以使其完成初始化及配置。上位機軟件是基于LabWindows/CVI開發(fā)的一套與伺服電機控制器相配套的實時監(jiān)測軟件，通過計算機的USB接口按照相關協(xié)議與控制器進行數(shù)據(jù)通信(需要總線接口轉(zhuǎn)換器完成SPI接口到USB接口的轉(zhuǎn)換)，實現(xiàn)對伺服電機的各種監(jiān)測功能。上位機軟件主要包括“數(shù)據(jù)實時顯示界面”和“歷史數(shù)據(jù)回放界面”，分為9個屏幕實時顯示信號的動態(tài)波形及設備的開關狀態(tài)[0016]I.第I屏目標轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)速反饋值、轉(zhuǎn)速誤差值；2 第2屏母線電壓；3 第3屏電機三相繞組U/V/W占空比；4.第4屏電機三相繞組電流；5.第5屏4路模擬量輸入I ;6.第6屏4路模擬量輸入2 ；7.第7屏電機霍爾及旋變信號；8.第8屏功率板溫度及電機溫度； 9.第9屏開關量狀態(tài)。上位機軟件可以根據(jù)需要顯示不同組合的實時曲線。在繪制實時曲線的同時，用戶可以根據(jù)需要修改實時曲線顯示窗口的屏點數(shù)、坐標軸上下限、坐標軸網(wǎng)格大小、背景顏色、網(wǎng)格顏色等屬性，以便觀察波形。上位機軟件可以實時顯示伺服電機控制器故障狀態(tài)，方便用戶排除控制器軟硬件故障。上位機軟件具有數(shù)據(jù)保存功能，并生成*. tdms文件，方便用戶對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。在“歷史數(shù)據(jù)回放”界面中，用戶可對歷史數(shù)據(jù)進行回放查詢，并可以對曲線進行局部縮放。為了體現(xiàn)本實用新型的可實施性，這里以上海登奇機電技術有限公司生產(chǎn)的GK6105-8SC61伺服電機為被控對象、Texas Instruments公司的數(shù)字控制器TMS320F28335為主控芯片的控制系統(tǒng)以及Cypress公司的USB設備控制器CY7C68013為例采用本實用新型的裝置構建一個伺服電機實時監(jiān)測系統(tǒng)。I)以控制系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機正常運轉(zhuǎn)，配置數(shù)字信號控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊，將各個傳感器檢測到的伺服電機參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，開辟一定容量的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲轉(zhuǎn)換結果。2)按照步驟I)的要求，配置好數(shù)字信號控制器內(nèi)的SPI通信模塊。在數(shù)字信號控制器與復雜可編程邏輯器件之間采用高速光電耦合器對數(shù)字信號控制器SPI接口發(fā)出的數(shù)據(jù)信號、時鐘信號和從設備選擇信號進行隔離，高速光電耦合器的帶寬必須大于SPI時鐘頻率，如SPI時鐘為30MHz，則高速光電耦合器的帶寬就必須高于30MHz。本實用新型涉及的裝置采用高速光電耦合器ADUM1401C，其帶寬為90MHz。3)復雜可編程邏輯器件檢測數(shù)字信號控制器SPI接口的時鐘的上升沿(當數(shù)字信號控制器SPI接口為下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)時)或下降沿(當數(shù)字信號控制器SPI接口為上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)時)、從設備選擇信號以及USB設備控制器內(nèi)的緩沖區(qū)的狀態(tài)信號；在5 1總線時鐘的上升沿(當數(shù)字信號控制器SPI接口為下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)時)或下降沿(當數(shù)字信號控制器SPI接口為上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)時)且從設備選擇信號為有效時接收數(shù)據(jù)；將每16個(通信數(shù)據(jù)字長為16位(bit)時)或8個(通信數(shù)字字長為8位(bit)時)二進制位(bit)組合成I個數(shù)據(jù)字(Word)并且在USB設備控制器內(nèi)的緩沖區(qū)的狀態(tài)信號表明緩沖區(qū)未滿時將這I個數(shù)據(jù)字(Word)并行發(fā)送至USB設備控制器內(nèi)的緩沖區(qū)內(nèi)。本實用新型涉及的裝置采用復雜可編程器件EPM3128ATC100完成串入并出轉(zhuǎn)換任務，EPM3128ATC100內(nèi)所需代碼見附件I。[0032]4)在USB設備內(nèi)部開辟緩沖區(qū)，并由USB設備控制器對其內(nèi)部的緩沖器實時監(jiān)測，當緩沖區(qū)已滿時，將其內(nèi)部的數(shù)據(jù)通過USB總線發(fā)送至計算機，USB傳輸方式為批量傳輸方式(Bulk)。本實用新型涉及的裝置采用CY7C68013A作為USB設備控制器，在其內(nèi)部開辟大小為256個字節(jié)(Byte)的緩沖區(qū)，其USB設備控制器內(nèi)的固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，只需將傳輸方式配置為批量傳輸(Bulk)即可。5)上位機軟件在計算機中開辟一定容量的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，讀取USB總線上的數(shù)據(jù)并將其存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，按照約定的通信協(xié)議完成接收數(shù)據(jù)的解包，在STRIPCHART控件上實時顯示伺服電機參數(shù)并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)繪制實時曲線，上位機軟件代碼見附件2。6)上位機軟件可將接收到的數(shù)據(jù)保存為*. tdms文件，方便用戶對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。 為更具體說明本實用新型涉及的方法及裝置，下面給出實例實施步驟。I)以控制系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機正常運轉(zhuǎn)，配置數(shù)字信號控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊，將各個傳感器檢測到的伺服電機參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，開辟一定容量的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲轉(zhuǎn)換結果。2)配置數(shù)字信號控制器的SPI總線接口模塊數(shù)字信號控制器TMS320F28335采用外部30MHz晶振，經(jīng)片內(nèi)鎖相環(huán)8倍頻與分頻器2分頻后得到系統(tǒng)時鐘為120MHz ；SPI模塊工作在增強FIFO緩沖模式，建立16級深度的發(fā)送和接收緩沖，工作方式選擇主設備發(fā)送方式；SPI模塊時鐘定為30MHz (TexasInstruments技術手冊規(guī)定SPI模塊時鐘不得超過系統(tǒng)時鐘的四分之一 );SPI模塊的通信數(shù)據(jù)字長為16位；時鐘模式為無相位延遲的下降沿模式，高電平有效；數(shù)據(jù)發(fā)送為定時發(fā)送，每50 ii s將若干個16位的數(shù)打入FIFO緩沖然后由SPI模塊發(fā)送。完成以上配置后，可用示波器測量SPI總線的時鐘信號與SPI從設備選擇信號，可以觀察到只有當SPI時鐘信號存在時，SPI從設備選擇信號才為低電平，并且只有當SPI從設備選擇信號為低電平時SPI時鐘信號才存在。3)將數(shù)字信號控制器TMS320F28335的SPI模塊與本實用新型設計的硬件裝置用數(shù)據(jù)線(4根)連接起來，可以用示波器觀察高速光電耦合器的副邊輸出。如果高速光電耦合器正常，應能用示波器在其副邊觀察到隔離后的SPI總線的時鐘信號與SPI從設備選擇信號。4)下載復雜可編程邏輯器件內(nèi)的所需的代碼。完成上述工作后，如果復雜可編程邏輯器件正常，應能用示波器在復雜可編程邏輯器件的輸出數(shù)據(jù)總線上觀察到數(shù)據(jù)信號的波形。5)將Cypress公司提供的CY7C68013固件程序下載至電可擦除存儲器內(nèi)。6)在計算機上安裝Cypress公司提供的通用USB設備驅(qū)動程序。在計算機上安裝上位機軟件。設備連接成功后，啟動上位機軟件，即可開始對伺服電機控制系統(tǒng)的監(jiān)測。
權利要求1.一種實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置，包括供電電路、高速光電耦合器隔離、復雜可編程邏輯器件、USB設備控制器和電可擦除存儲器，其特征在于供電電路將USB總線提供的5V電壓變換成3. 3V電壓，一方面為高速光電耦合器隔離電路的副邊與復雜可編程邏輯器件提供電源，另一方面為USB設備控制器提供電源；高速光電耦合器隔離電路對SPI總線的時鐘信號、數(shù)據(jù)信號、SPI從設備選擇信號進行數(shù)字隔離，復雜可編程邏輯器件接收經(jīng)高速光電耦合器隔離后的數(shù)據(jù)位，并將每16個數(shù)據(jù)位組合成一個數(shù)據(jù)字，然后將其發(fā)送至USB設備控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)；USB設備控制器電路將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過USB2. O總線發(fā)送至計算機；電可擦除存儲器電路在整個轉(zhuǎn)換裝置上電時將存儲在電可擦除存儲器內(nèi)的USB設備控制器固件代碼下載至USB設備控制器內(nèi)以使其完成初始化及配置。
專利摘要本實用新型公開了一種實時監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換裝置，高速光電耦合器隔離電路對SPI總線的時鐘信號、數(shù)據(jù)信號、SPI從設備選擇信號進行數(shù)字隔離，復雜可編程邏輯器件接收經(jīng)高速光電耦合器隔離后的數(shù)據(jù)位，并將每16個數(shù)據(jù)位組合成一個數(shù)據(jù)字，發(fā)送至USB設備控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)；USB設備控制器電路將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機；電可擦除存儲器電路在整個轉(zhuǎn)換裝置上電時將存儲在電可擦除存儲器內(nèi)的USB設備控制器固件代碼下載至USB設備控制器內(nèi)。本實用新型可以顯著提高數(shù)字信號控制器與計算機之間的通信速率，更加直觀的反應出伺服電機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)伺服電機控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測。
文檔編號G06F13/38GK202486561SQ201220108359
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2012年3月21日
發(fā)明者盧剛, 周勇, 周廣偉, 張松松, 李鑫, 楊靜偉, 江修立, 王嚴偉, 魏世克 申請人:西北工業(yè)大學