采用空间换时间的优化思路，提出了双缓冲队列结构，节省了单缓冲区时读写部分操作互斥/同步的开销，实现瞬时磁链和转矩信号的准确采集并将其曲线平滑绘制在监控界面上。
[0011]本发明使用TMS320F28335自带的ADC模块和eCap模块实时准确测量电压电流和变频率脉冲信号，通过串口传输给上位机实时显示。上位机运行时采用多线程和双缓冲队列的策略，不但改善了单线程下交互响应不及时和仅靠多线程互斥导致的低效率，而且减少了传统多线程生产者-消费者模式的互斥/同步开销，数据处理和曲线绘制高效率地并发进行。绘图时采用一种新颖的方法，每次更新很小一片像素的区域并只绘制一个最新数据点，有效减少绘图事件占用的时间开销，增强数据处理能力。
[0012]本发明实现了将高速高精度数据采集系统与具有良好交互性的监控系统结合到一起的目的，能够进行高精度频率测量和良好的实时交互响应。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的上位机部分设备所显示的界面图。
[0014]图2是本发明以DSP芯片TMS320F28335为核心的下位机系统，通过ADC模块同步采集电流电压信号，由eCap采集频率信号，通过SCI模块的16级深度FIFO发送队列发送给上位机。
[0015]图3是本发明处理数据所使用的多线程和双缓冲队列策略的图示。
[0016]图4、5是本发明在绘制平滑曲线时采用的新的方法的图示。
【具体实施方式】
[0017]本发明包括下位机数据采集系统1、串口 2和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统3。如图3所示，下位机数据采集系统1的一端连接电机，另一端通过串口 2连接Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统3。
[0018]如图2所示，下位机数据采集系统1包括以DSP TMS320F28335芯片为核心的处理单元11、电压信号调理器12、电流信号调理器13、频率信号调理器14、ADC模块15、eCap模块16和SCI模块17，电压信号调理器12和电流信号调理器13分别通过ADC模块15与DSPTMS320F28335芯片11连接，频率信号调理器14通过eCap模块16与DSP TMS320F28335芯片11连接，DSP TMS320F28335芯片11通过SCI模17块输出，并通过串口 2输入至上位机监控系统。
[0019]再如图3所示，上位机监控系统3主要由I/O数据处理线程31、⑶I逻辑线程32和波形显示通道33组成。I/O数据处理线程31用于接收/发送、解码来自于下位机传的电流、电压和频率信号，GUI逻辑线程32用于将来自于I/O数据处理线程31的用户事件进行逻辑计算并进行实时曲线绘制，I/O数据处理线程31和GUI逻辑线程32各自分配一个缓冲队列，分别用于存放下位机发来数据的队列为生产者队列、用于存放待绘制显示的数据队列为消费者队列，当生产者队列完成全部写入，且消费者队列完成全部读出后，则原生产者队列和原消费者队列进行一次切换，原生产者队列转为消费者队列，原消费者队列转换为生产者队列；所述波形显示通道在每个定时事件发生后进行一次界面重绘，界面重绘是将整个曲线向左平移空出一个像素区并记录次新点数据，再记录最新点数据，在绘图事件中将次新点数据和最新点数据用直线连接。
[0020]本发明工作原理:以DSP芯片TMS320F28335为核心的下位机系统实时采集电机的电压电流信号和代表转矩大小的脉冲频率信号并通过串口传输给上位机、另一方面使用Qt开发的上位机监控界面实时显示被监测电机的电压电流、磁链和转矩波形，并对电机进行控制。基于TMS320F28335的eCap模块精确地测量频率信号，同电压电流信号一并封装为数据包传递给上位机。
[0021]保证系统监测的实时性、GUI界面的交互良好性以及显示大量数据时绘图没有闪烁，上位机在运行阶段开启两个线程并使用双缓冲技术以大大减小线程同步或互斥的开销，主线程负责实时曲线绘制和响应用户事件，另一个线程负责处理下位机传送来的原始数据，每个线程分配一个缓冲队列，负责存放下位机发来数据的队列为生产者队列，负责存放待绘制显示的数据队列为消费者队列。
[0022]以双缓冲技术为核心，DSP的特点是大量数据实时处理，而上位机曲线也要实时绘制，同步或互斥的开销会很明显，使用双缓冲队列模式来改善这一问题。这两个缓冲区，总是一个用于生产者，另一个用于消费者。当两个缓冲区队列都操作完，再进行一次切换(先前被生产者写入的转为消费者读出，先前消费者读取的转为生产者写入)。采取读操作优先的切换策略，即生产者只要发现消费者缓冲队列空闲，马上切换以为曲线绘制线程提供数据。由于生产者和消费者不会同时操作同一个缓冲区(不发生冲突)，所以就不需要在读写每一个数据单元的时候都进行同步/互斥操作(区别于传统的单缓冲区)。除了有两个缓冲区队列，为了做到“不冲突”还需要两个互斥锁，分别对应两个缓冲区队列。生产者或消费者如果要操作某个缓冲区，必须先拥有对方的互斥锁。
[0023]实时数据曲线绘制普遍存在由于绘制时间较长而无法满足实时显示的问题。该上位机界面采用新的绘图机制，每个定时事件发生后进行一次界面重绘，绘图事件刷新时并不是将整个绘图区域重绘，而是将整个曲线向左平移一定像素并记录次新点数据，再记录最新点数据，即只更新由于平移而空出的一个小区域，在绘图事件中只是将次新点数据和最新点数据用直线连接，而不是像传统的绘制机制一样将大量重复的数据点绘制，从而有效减少了绘图事件带来的时间开销和绘图时经常会出现的闪烁问题，实现了数据曲线自右向左的平滑移动效果。
[0024]图1为本发明的上位机部分设备所显示的界面，为负责人机交互的监控界面，主要由串口设置和波形显示两部分组成，从左至右、从上至下分别为电流、电压、磁链、转矩的波形显示通道。
[0025]图4、5是本发明在绘制平滑曲线时采用的新的方法的图示说明，每次只刷新绘制小部分像素的区域，而对大部分曲线只做平移操作，既节省了绘制事件的时间开销又防止数据量过多时的绘图闪烁。
【主权项】
1.实时电机转矩和磁链的数据采集系统，其特征在于包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSPTMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，电压信号调理器和电流信号调理器分别通过ADC模块与DSP TMS320F28335芯片连接，频率信号调理器通过eCap模块与DSP TMS320F28335芯片连接，DSP TMS320F28335芯片通过SCI模块输出，并通过串口输入至上位机监控系统；所述上位机监控系统主要由I/O数据处理线程、⑶I逻辑线程和波形显示通道组成，所述I/O数据处理线程用于接收/发送、解码来自于下位机传的电流、电压和频率信号，GUI逻辑线程用于将来自于I/O数据处理线程的用户事件进行逻辑计算并进行实时曲线绘制，I/O数据处理线程和GUI逻辑线程各自分配一个缓冲队列，分别用于存放下位机发来数据的队列为生产者队列、用于存放待绘制显示的数据队列为消费者队列，当生产者队列完成全部写入，且消费者队列完成全部读出后，则原生产者队列和原消费者队列进行一次切换，原生产者队列转为消费者队列，原消费者队列转换为生产者队列；所述波形显示通道在每个定时事件发生后进行一次界面重绘，界面重绘是将整个曲线向左平移空出一个像素区并记录次新点数据，再记录最新点数据，在绘图事件中将次新点数据和最新点数据用直线连接。
【专利摘要】实时电机转矩和磁链的数据采集系统，属于电机的生产技术领域，包括下位机数据采集系统、串口和Qt编写的使用双缓冲技术的上位机监控系统，所述下位机数据采集系统包括以DSP？TMS320F28335芯片为核心的处理单元、电压信号调理器、电流信号调理器、频率信号调理器、ADC模块、eCap模块和SCI模块，本发明实现了将高速高精度数据采集系统与具有良好交互性的监控系统结合到一起的目的，能够进行高精度频率测量和良好的实时交互响应。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105302028
【申请号】CN201510800028
【发明人】李昊旻, 范小斌, 花为, 李申, 黄仁志
【申请人】海安县申菱电器制造有限公司, 东南大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月19日