1 引言
在信息科學(xué)中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為其重要的一個(gè)研究問題，它已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)，如采樣速率、分辨率、精度、輸入電壓范圍、控制方式以及抗干擾能力等方面，都提出了越來越高的要求，尤其是采樣速率，更是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者最關(guān)心的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響整個(gè)自動(dòng)化裝置的性能。因此，提高采集速度和精度一直是電力系統(tǒng)軟件開發(fā)人員要解決的難題。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文介紹的phcteeq-1型電力諧波綜合治理實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
裝置采用電力諧波有源濾波和無源濾波的先進(jìn)理論和技術(shù)，以igbt-ipm智能模塊、dsp、工控機(jī)等核心部件為硬件基礎(chǔ)，進(jìn)行電力諧波綜合治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)性好，實(shí)驗(yàn)效果明顯。裝置采用公共基礎(chǔ)臺(tái)+功能掛件的設(shè)計(jì)方式，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，擴(kuò)展性好，能夠完成單相/三相電力諧波的產(chǎn)生、在線檢測(cè)、分析、有源濾波和無源濾波等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。
2.1 數(shù)據(jù)采集卡
在該裝置中,模擬信號(hào)的采集主要通過數(shù)據(jù)采集卡，在這個(gè)裝置中采用的pci8360a數(shù)據(jù)采集卡：它具有32個(gè)模擬量輸入通道：ad0-ad31；輸入信號(hào)范圍：0～10v，-5v～+5v，0～20ma (0～10v為出廠默認(rèn)設(shè)置)。輸入精度為12位。單通道最大采樣頻率：500khz,多通道最大采樣頻率為200khz。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式為軟件啟動(dòng)/外觸發(fā)(定時(shí))啟動(dòng)。這里將模擬量輸入單雙端選擇跳線jp2設(shè)置為單端輸入，模擬量輸入范圍選擇跳線jp1，jp3設(shè)置為雙極性。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中需要采集的模擬信號(hào)有十四路：三相負(fù)載電流信號(hào)，三相補(bǔ)償電流信號(hào)，三相電源電流信號(hào)，pwm波信號(hào)，變壓器原邊電流信號(hào)，三相電壓信號(hào)。采用dhpt、dhct高精度微型傳感器來完成數(shù)據(jù)采集的功能，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡與dsp中。傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的信號(hào)，一方面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示原始信號(hào)，另一方面，經(jīng)fft分析和基于單個(gè)人工神經(jīng)元的自適應(yīng)電力諧波檢測(cè)方法分析后顯示各次諧波權(quán)值。
2.2 dsp部分
dsp采用tms320f2812，tms320x28xx信號(hào)處理器集成了事件管理器(281x處理器)，epwm, ecap, a/d轉(zhuǎn)換模塊，spi外設(shè)接口，sci通信接口，ecan總線通信模塊，看門狗，通用目的數(shù)字量io，pll時(shí)鐘模塊，多通道緩沖串口，外部中斷接口，存儲(chǔ)器及其接口，內(nèi)部集成電路(i2c)等多種外設(shè)單元，使用戶能夠以很便宜的價(jià)格開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。傳輸給dsp的各種信號(hào)經(jīng)fft算法分析，將各次諧波權(quán)值發(fā)送給工控機(jī)。dsp與上位機(jī)采用232串口通信。數(shù)據(jù)幀的格式如下：
a相：aaaa 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 aaaa
b相：bbbb 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 bbbb
c相：cccc 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 cccc
當(dāng)用戶選中了查看經(jīng)dsp分析的某相信號(hào)時(shí)(單選)，上位軟件發(fā)送相應(yīng)需求信號(hào)給dsp，例如：上位機(jī)發(fā)送aaaa，dsp接收到該信號(hào)后，首先發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的幀頭aaaa響應(yīng)上位機(jī)，上位機(jī)判斷回傳的數(shù)據(jù)是否為aaaa，是，則接收并顯示，否，則不予理采。每次諧波權(quán)值采用32位表示，按照ieee 754 標(biāo)準(zhǔn)：
(1) 第1位為符號(hào)位，1 代表負(fù)，0代表正；
(2) 接下來用8位來表示指數(shù)部分；
(3) 接下來的23位用來表示有效數(shù)位。
幀尾為aaaa，表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。
2.3 plc部分
plc采用s7-200，主要完成掛件識(shí)別功能。將各變量狀態(tài)通過opc技術(shù)與上位機(jī)軟件通信。上位機(jī)軟件組態(tài)顯示電路狀態(tài)，可以直觀查看電路當(dāng)前狀態(tài)。
3 上位機(jī)軟件
3.1 軟件開發(fā)方式
軟件采用delphi 7.0完全面向?qū)ο蟮目梢暬脚_(tái)開發(fā)，它是borland公司最優(yōu)秀的windows開發(fā)工具之一,它的可視化開發(fā)環(huán)境和面向?qū)ο蟮目焖賾?yīng)用程序開發(fā)(rad)工具,使程序開發(fā)人員能在windows平臺(tái)上快速開發(fā)出32位的windows應(yīng)用程序。它采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言object pascal。下面對(duì)上位機(jī)軟件中的關(guān)鍵技術(shù)加以說明。
在pci8360a的使用中有三種可行的軟件開發(fā)方式：
(1) 使用廠家提供的開發(fā)軟件。廠家提供的軟件只能作為測(cè)試采集卡是否正常的工具。
(2) 自己動(dòng)手編制程序完成底層的數(shù)集和指令的輸出。此方法工作量大。
(3) 利用開發(fā)商所提供的windows標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)聯(lián)接庫文件。使用動(dòng)態(tài)鏈接庫有如下優(yōu)點(diǎn)：
l應(yīng)用程序編譯鏈接后的可執(zhí)行文件較小；
l應(yīng)用程序所需用到的內(nèi)存較小；
l對(duì)應(yīng)用程某一模塊的修改，更換不會(huì)影響到其它模塊。本系統(tǒng)的開發(fā)此種方式。動(dòng)態(tài)鏈接庫主要有兩種調(diào)用方法：靜態(tài)調(diào)用和動(dòng)態(tài)調(diào)用。
動(dòng)態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用是最簡(jiǎn)單的調(diào)用方法。它主要使用external指令來聲明外部的函數(shù)或過程。為了方便使用和維護(hù)動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以將工程中所用到的所有不同動(dòng)態(tài)鏈接庫中的函數(shù)統(tǒng)一定義在一個(gè)單元中，并且還可以在該單元中定義調(diào)用庫中函數(shù)或過程時(shí)所使用的常量或數(shù)據(jù)類型。
動(dòng)態(tài)鏈接庫的動(dòng)態(tài)調(diào)用主要是使用windows api函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，比靜態(tài)調(diào)用復(fù)雜的多。因此，這里采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用的方向。
3.2 連續(xù)ad采集的編程思路
(1)首先在程序初始化時(shí)調(diào)用 zt8360a_opendevice函數(shù)，用于打開設(shè)備，只調(diào)一次即可。
(2) 調(diào)用 zt8360a_disablead 函數(shù)，禁止ad；調(diào)用zt8360a_clearhfifo函數(shù)，清硬件緩沖區(qū)(hfifo)；調(diào)用 zt8360a_clearsfifo 函數(shù)，清軟件緩沖區(qū)(sfifo)；調(diào)用zt8360a_aiinit 函數(shù)，做一些ad初始化工作；調(diào)用 zt8360a_openirq函數(shù)，打開hfifo半滿中斷。
(3)在一個(gè)循環(huán)中不斷調(diào)用zt8360a_getsfifodata count判斷sfifo中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，申請(qǐng)一個(gè)數(shù)組，并把這個(gè)數(shù)組中傳入 zt8360a_ aisfifo 用于接收數(shù)據(jù),把讀出的數(shù)據(jù)保存到文件或直接顯示。注意：sfifo的默認(rèn)大小為 819200，用戶要不斷讀數(shù)，使sfifo有空間放入新的來自hfifo的數(shù)，如果sfifo中的有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)接近819200，會(huì)使整個(gè)ad過程停止。如果想重新采集，必須重復(fù)2—3步。
(4) 調(diào)用 zt8360a_closeirq函數(shù)，停止采集過程。
(5) 在程序退出前調(diào)用 zt8360a_closedevice函數(shù)。
3.3 pci8360a數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集部分代碼
if(zt8360a_opendevice(m_cardno) <> 0) then
//初始化數(shù)據(jù)采集卡，返回0表示打開設(shè)備成功，m_cardno為1
begin
showmessage(`打開設(shè)備失敗`);
exit;
end
else
begin
i:=zt8360a_getcardstatus(1); //采集卡狀態(tài)
if i<>0 then
begin
i:=zt8360a_getlasterr(); //得到當(dāng)前錯(cuò)誤號(hào)，為0表示無錯(cuò)誤
showmessage(`錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
end;
getmem(data,sizeof(tsomearray)*8092); //讀數(shù)據(jù)
zt8360a_disablead(m_cardno); //禁止ad
i:=zt8360a_getcardstatus(1);
if i<>0 then
showmessage(`禁止ad失敗，錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
zt8360a_clearhfifo(m_cardno); //清硬件緩沖區(qū)
i:=zt8360a_getcardstatus(1);
if i<>0 then
i:=zt8360a_getlasterr();
showmessage(`清硬件緩沖區(qū)失敗，錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
//showmessage(`hfifo`);
zt8360a_clearsfifo(m_cardno); //清驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)
i:=zt8360a_getcardstatus(1);
if i<>0 then
i:=zt8360a_getlasterr();
showmessage(`清驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)失敗，錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
zt8360a_aiinit(m_cardno, 0, 1, 0, 0, 1, 625 ,1, 0, 0);
//設(shè)置ad方式控制寄存器
i:=zt8360a_getcardstatus(1);
if i<>0 then
// i:=zt8360a_getlasterr();
i:=zt8360a_getlasterr();
showmessage(`intit`+inttostr(i));
zt8360a_openirq( m_cardno, 0, 0, 0, 0); //打開8360a中斷
i:=zt8360a_getcardstatus(1);
if i<>0 then
i:=zt8360a_getlasterr();
showmessage(`打開中斷失敗，錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
end;
end;
3.4 基于單個(gè)人工神經(jīng)元的自適應(yīng)電力諧波檢測(cè)方法
基于單個(gè)人工神經(jīng)元的自適應(yīng)電力諧波檢測(cè)原理如圖2所示，該方法能夠?qū)ζ娲巍⑴即巍⑻囟ù巍⒖傊C波以及相位進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。假設(shè)實(shí)際系統(tǒng)中需要檢測(cè)的最高次諧波是n次。
(1) 檢測(cè)總諧波電流：只取sinωt和cosωt作為參考輸入。人工神經(jīng)元學(xué)習(xí)完成之后，系統(tǒng)的輸出z(t)即為總諧波電流。
(2) 檢測(cè)奇次諧波電流：取sinωt、cosωt以及sin(2k+1)ωt、cos(2k+1)
(3) ≤2k+1≤n，k為正整數(shù)) 等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學(xué)習(xí)完成之后
i2k+1(t) = w(2k+1)s·sin(2k+1)ωt + w(2k+1)c·cos(2k+1)ωt (1)
就是對(duì)應(yīng)的奇次諧波電流的值。
(4) 檢測(cè)偶次諧波電流：取sinωt、cosωt以及sin2kωt、cos2kωt(2≤2k≤n，k為正整數(shù))等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學(xué)習(xí)完成之后
i2k(t) = w2ks·sin2kωt + w2kc·cos2kωt (2)
就是對(duì)應(yīng)的偶次諧波電流的值。
(5) 檢測(cè)特定次諧波和相位：取sinωt、cosωt以及sinkωt、coskωt(k∈[2,n]且為正整數(shù))等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學(xué)習(xí)完成之后
ik(t) = wks·sinkωt + wkc·coskωt (3)
就是對(duì)應(yīng)的k次諧波的值；wkc/wks就是k次諧波相角的正切值。
圖2 基于單個(gè)神經(jīng)元的電力諧波檢測(cè)原理圖
3.5 iplot控件的應(yīng)用
iplot控件是非常優(yōu)秀的控件，能夠直觀實(shí)時(shí)顯示工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的模擬信號(hào)。它功能強(qiáng)大，即使在劃分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)也可以縮放，滾動(dòng)。x軸，y軸和頻道數(shù)均無限制。對(duì)于不同通道信號(hào)采用顏色區(qū)分，并用文字標(biāo)注，方便觀察比較分析。能以.bmp,.emf,.jpg各種圖形格式保存信號(hào)曲線，也可以打印輸出。現(xiàn)以其中一路通道信號(hào)的顯示加以說明。
var
currcount:integer;
retcount:integer;
i:integer;
begin
//設(shè)置iocomp中iplt控件的參數(shù)
iplot.channel[0].titletext:= `u相電壓信號(hào)`; //設(shè)置通道標(biāo)題文字
iplt1.xaxis[0].min:=0; //設(shè)置u相電壓信號(hào)x軸的起始坐標(biāo)值
iplt1.xaxis[0].span:=2560; //設(shè)置x軸的坐標(biāo)域
iplt1.yaxis[0].min:=-5000; //y軸表示u相電壓信號(hào)的幅值
iplt1.yaxis[0].span:=10000;
i:=zt8360a_getlasterr();
if i<>0 then
showmessage(`錯(cuò)誤號(hào)為：`+inttostr(i));
currcount := zt8360a_getsfifodatacount(m_cardno);
//得到驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)(sfifo)中當(dāng)前有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)
if currcount > 0 then
begin
retcount := zt8360a_aisfifo(m_cardno, data, 8192);
//定時(shí)啟動(dòng)ad或外觸發(fā)啟動(dòng)ad時(shí)，從驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)中讀8192個(gè)數(shù)到緩沖區(qū)
for i:=0 to retcount do
begin
iplt1.channel[0].addxy(x,data^[i]); //圖形顯示
x:=x+1;
end;
end;
end;
3.6 線程的應(yīng)用和防止數(shù)據(jù)覆蓋
windows提供的多媒體定時(shí)器，它的最小時(shí)間精度只能達(dá)到1ms。不能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求。在本項(xiàng)目中，采集的電壓信號(hào)頻率為50hz,每個(gè)周期為0.02秒。根據(jù)項(xiàng)目要求，每個(gè)周期需采樣256個(gè)點(diǎn)，即每0.02/256＝0.000078125秒讀一次。因此需要使用線程。另外，pci8360a的單通道采樣頻率最高可達(dá)500khz，即每1/500000＝0.000002秒采樣一次。因此，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋，即還沒有處理的數(shù)據(jù)被新讀入的數(shù)據(jù)覆蓋。為防止這種情況發(fā)生，需要?jiǎng)?chuàng)建緩存區(qū)。
4 結(jié)束語
在該項(xiàng)目的上位機(jī)軟件開發(fā)過程中，數(shù)據(jù)采集是其它工作的前提。在數(shù)據(jù)采集中掌握pci8360a數(shù)據(jù)采集卡的的使用是非常重要的，它有效的利用了工機(jī)控機(jī)高速處理能力。在使用過程中要注意：未接信號(hào)的通道一定要接模擬地；為防止引入現(xiàn)場(chǎng)干擾，不應(yīng)該使信號(hào)引腳懸空，可以將不使用的信號(hào)引腳與模擬地短路；各選擇跳線均選出廠設(shè)置。iocomp圖形控件的使用使得實(shí)驗(yàn)的上位機(jī)界面更加美觀。iplot控件顯示各路信號(hào)波形。ispectrumdisplay，ipiechart控件用于顯示各次諧波含有率，iangularloggauge控件用于顯示基波功率。為提高讀數(shù)據(jù)的速率，使用了線程。動(dòng)態(tài)鏈接庫和防覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)更為可靠。多種采集方式同時(shí)應(yīng)用，便于比較多種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。