引 言
目前現(xiàn)有的測(cè)磁儀，采樣使用的A／D大多為10位A／D，這使得其采樣精度低，測(cè)量誤差大，而且抗干擾能力差。CPU大都以單片機(jī)為主，供電電源為5 V，控制器功耗比較大；主頻低使得指令執(zhí)行周期長(zhǎng)，計(jì)算速度慢，在一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)少。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于其傳感器、放大器及隔離器件本身的技術(shù)原因，性能相對(duì)較差，容易受到干擾。而且現(xiàn)有測(cè)磁儀的功能大都比較簡(jiǎn)單，通常以單通道為主，外加一個(gè)霍爾傳感器，一般只能測(cè)量試品外壁某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)于鐵芯內(nèi)部等傳感器無(wú)法到達(dá)的部位不能進(jìn)行測(cè)量。顯示終端主要以LED為主，一般只顯示當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄功能，需要專人負(fù)責(zé)填寫(xiě)，使用起來(lái)很不方便。
另外，現(xiàn)有測(cè)磁儀大都不能實(shí)現(xiàn)三相或三個(gè)獨(dú)立的單相試品的測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中無(wú)法給出最大磁通量、最小磁通量以及他們分別對(duì)應(yīng)的電流，更無(wú)法顯示磁滯回線并給出磁滯回線的面積，這些都是我們十分關(guān)心的問(wèn)題。更重要的是不能測(cè)量激磁電流中有直流分量的磁路。
以上這些問(wèn)題使得現(xiàn)有測(cè)磁儀在使用過(guò)程中總是存在這樣那樣的不足，使測(cè)量工作受到很大的限制。
2 硬件設(shè)計(jì)
新型智能測(cè)磁儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。外部采樣信號(hào)經(jīng)三通道電壓調(diào)理電路和三通道電流調(diào)理電路接至ADS8364。CPU為TMS320LF2407，與ADS8364并行連接。CPU內(nèi)部的SCI實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通訊，由ST16C550擴(kuò)展的串口與顯示終端LCD相連，并配有鍵盤(pán)及打印機(jī)。因TMS320LF2407內(nèi)部RAM空間不足，所有采樣結(jié)果均保存在外部CY7C1021中，CY7C1021在程序調(diào)試過(guò)程中作為程序的外部存儲(chǔ)器，正常運(yùn)行時(shí)作為AD采樣結(jié)果的存儲(chǔ)空間。
ADS8364與TMS320LF2407接口電路如圖2所示。ADS8364的三位地址線接LF2407的低三位地址線，16位數(shù)據(jù)線與LF2407的16位數(shù)據(jù)線并行連接。3個(gè)采保信號(hào)分別由FL2407的PWM10，PWM11和PWM12提供。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接LF2407的外部中斷1。BYTE接地使讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)以16位的方式輸出。
2.1 采樣模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364介紹
ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A／D轉(zhuǎn)換芯片，共有64個(gè)引腳。其時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，最高頻率為5 MHz，對(duì)應(yīng)的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電源供電電壓為3～5 V，即可以與3.3 V供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制器接口。6個(gè)模擬輸入通道分為三組(A，B和C)，每組都有一個(gè)保持信號(hào)(HOLDA，HOLDB和HOLDC)，用來(lái)啟動(dòng)各組的A／D轉(zhuǎn)換，6個(gè)通道可以進(jìn)行同步并行采樣和轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。其共模輸入在50 kHz時(shí)為80 dB，特別適合于噪聲比較大的測(cè)量環(huán)境。地址／模式信號(hào)(A0，A1，A2)決定ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取方式有3種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。根據(jù)BYTE為0或者為1確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位還是8位的方式輸出。
2.2 微處理器TMS320LF2407簡(jiǎn)介
TMS320LF2407是TI推出的高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)微處理器，采用3.3 V供電減小了控制器的損耗；30 MHz的主頻使得其具有較高的實(shí)時(shí)控制和計(jì)算能力。
片上32 k×16位的FLASH，使得程序燒寫(xiě)十分便利。兩個(gè)事件管理器EVA和EVB；10位的A／D轉(zhuǎn)換，可由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器。
外部存諸器擴(kuò)展：64 k的程序空間，64 k的數(shù)據(jù)空間，64 k的IO空間。5種外部中斷。
2.3 異步收發(fā)器ST16C550簡(jiǎn)介
ST16C550是一種通用異步收發(fā)器(UART)，能夠提供數(shù)據(jù)并／串轉(zhuǎn)換功能。顯示單元采用的LCD基本約定為串口格式，在實(shí)現(xiàn)與TMS320LF2407通訊時(shí)，通過(guò)擴(kuò)展異步通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)高速串行通信。
2.4 鍵盤(pán)及顯示單元
鍵盤(pán)采用掃描工作方式，設(shè)有0～9數(shù)字鍵、功能鍵、光標(biāo)向下及向右移動(dòng)鍵、設(shè)定鍵、啟動(dòng)鍵和打印鍵。通過(guò)鍵盤(pán)可設(shè)定分流器的量程、勵(lì)磁匝數(shù)、鐵心面積、迭片系數(shù)及磁路長(zhǎng)度。顯示單元LCD為DMB24128A，主要顯示A、B、C相的最大、最小磁通及相應(yīng)的電流值以及A、B、C相的磁滯回線的面積。
3 軟件設(shè)計(jì)
智能測(cè)磁儀的基本工作流程如圖3所示。上電后首先初始化，對(duì)控制寄存器及I／O口進(jìn)行設(shè)置，自檢無(wú)誤后進(jìn)入鍵盤(pán)掃描。有按鍵按下，則進(jìn)入相應(yīng)的操作，如必要的參數(shù)設(shè)定及界面等，否則默認(rèn)為缺省值。當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)鍵按下時(shí)，啟動(dòng)A組采樣達(dá)到設(shè)定的采樣次數(shù)，停止A組依次啟動(dòng)B組、C組，如圖3所示進(jìn)行循環(huán)，采樣結(jié)果保存在外部存儲(chǔ)空間CY7C1021中。也可以通過(guò)設(shè)定只啟動(dòng)一組采樣。
一次循環(huán)采樣結(jié)束后，關(guān)閉中斷，清除標(biāo)志位。依據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出終端所要顯示的值并送至顯示終端。同時(shí)檢測(cè)PC機(jī)是否需要上位機(jī)通訊，如果是則將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)通過(guò)SCI傳到上位機(jī)，否則開(kāi)中斷進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。每組A／D在一個(gè)工頻周期內(nèi)最多采樣點(diǎn)數(shù)為800點(diǎn)，這一值可以根據(jù)需要通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)置。
上位機(jī)提供了多種顯示界面，極大地方便了使用。與下位機(jī)顯示終端最大的區(qū)別在于不僅包含了所有下位機(jī)的功能，而且能夠直觀地顯示電壓、電流波形及磁滯回線。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈直線關(guān)系，直線的斜率等于u0。而在鐵磁材料中磁通密度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間是非線性的。鐵磁材料置于交流磁場(chǎng)中，材料被反復(fù)磁化，磁疇相互不停地磨擦、消耗能量，產(chǎn)生磁滯損耗。磁場(chǎng)變化一個(gè)周期時(shí)，被磁場(chǎng)吸收的能量可用磁滯回線的面積來(lái)表示，這部分能量將消耗在鐵磁材料內(nèi)，轉(zhuǎn)化為熱能。磁滯損耗用下式表示：
其中：V為鐵心的體積；f為磁場(chǎng)交變的頻率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁通密度。
磁通密度最大值愈大，磁滯回線面積愈大，磁滯損耗也越大。
通過(guò)式(1)可以看出，磁通密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小直接影響到磁滯損耗，而磁滯回線面積的大小能夠準(zhǔn)確反映磁滯損耗情況。據(jù)此對(duì)一臺(tái)單相試品變壓器進(jìn)行了測(cè)量，記錄電壓、電流波形及磁滯回線如圖4～圖7所示。并對(duì)采樣的電壓、電流波形的數(shù)據(jù)結(jié)果與fluk434測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為是正確的。
圖4和圖5分別為交流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形及磁滯回線；圖6和圖7分別為交直流勵(lì)磁時(shí)的電壓電流波形及磁滯回線。由于電壓電流的真實(shí)值相差太大，圖上坐標(biāo)均采用百分值顯示。
磁通隨時(shí)間正弦變化，磁飽和的非線性導(dǎo)致磁化電流成為與磁通同相位的尖頂波；磁路飽和越嚴(yán)重，磁化電流的波形越尖，畸變?cè)絿?yán)重。當(dāng)有直流勵(lì)磁電流存在時(shí)，激鼓電流已經(jīng)嚴(yán)重畸變，關(guān)于x軸出現(xiàn)了嚴(yán)重不對(duì)稱。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該新型智能測(cè)磁儀具有以下特點(diǎn)：
(1)采用高精度16位采樣模塊ADS8364，使得采樣精度大大提高，減小了零飄和測(cè)量誤差。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)量結(jié)果受外部環(huán)境的影響小。
(3)操作簡(jiǎn)單、功能齊全、使用方便，下位機(jī)本身就是一個(gè)完整的測(cè)量?jī)x器，再配以上位機(jī)軟件，能夠通過(guò)圖形更加直觀地反映測(cè)量結(jié)果。
(4)采用比較成熟的算法及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，保證了程序運(yùn)行的可靠性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(5)不僅能夠測(cè)量交流勵(lì)磁回路，對(duì)于勵(lì)磁回路中含有直流分量的磁路也能準(zhǔn)確地測(cè)量。
本文將ADS8364與TMS320LF2407相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型智能測(cè)磁儀，該系統(tǒng)采樣精度高，速度快，并可同時(shí)采集多路信號(hào)，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。