（计算机应用技术专业论文）高温超导磁悬浮测试系统的软件优化设计与完善.pdf

瑟麓窑鋈塞望嚣塞匿盘垒鬟蕊浚塞 鎏嚣 摘要 鸯1 戮魅蓬嚣熬警臌基浮实验攀，嚣骞交太怒譬技拳爨究麟戮裁了蠢滋 蘧辱磁蕊浮灏试系统。该溅试系翁滋数控位移装鬣、簧惑蓑恭、王控氍骚裁 控制、数据采集和处联殷系统软件缀成。 在遮糍测试系统键耀过程中，发现一些急需觯挟的闽题，如不能同时测 遗基浮力秘导逮老、不魏在夫鬟蓼孛避嚣枣霾繇瓣试等，瑟邃蹙藏莲琴豢蕊 不改变廉繁统硬件装撩的前提下褥攀解决。西诧，为了更好撼剥糟已有静装 置，充分发挥测试系婉的潜力，需辨对原系统的软件部分进释佤化和完善， 基整瑷熬穑戆，更好撼溅试褰漫怒婚块糖熬控携，为器究褰激超导磁悬浮罄 疆安受李蠹姥实验数撼。 论文档分析了高溆超导磁悬浮测试系统的碳软件结构殿工作原理的熬 础上，黔测试系统的软馋进行了优化设计，并寇将了一些功能+ 优化设计体 瑷在薮- f 忍拿寿嚣：i 簿系统耱臻继敦鬟主黎垮运器鏊蠹攮褥，臻爱覆攒 需要随崤帮可以对测试系统进行初贻纯，使测试东统露弼裙嫡状态。f 2 ) 逡 用多线程编程技术，嘲时测试悬浮力和导向力，以便研究永樾| 【体一高温超臀 蒋袭毒孝之灏骢悬浮力秘辱交力关系。( 3 ) 添魏了辩史误操捧黔凄戆。( 4 ) 优 往了露磐玲嚣，撬稔了懋浮杰蠢嚣蕊为数箍存赣潦残，菠鼗捺镬予莓续鼹浚 和再处糕。完善的功能包含阻下几个方面：( 1 ) 襁测试悬浮内和导向力时， 可以根粼髂要在大循茹l = ：中进彳亍小循琳测试。( 2 ) 猩磁场扫描的避程中，将捆 搴羹赘蘑蘩爽霹建爨存戮磁鑫主，蠹菠实褒三蘩意义夔鬟溪蟊攥。3 ) 暴魏了 钡i 试羿两盼图形输蹬渤靛。 论文中的软件是谯l a b w i n d o w s c v l 环境下群发的，通过始p m a c 卡通储 亲控割镧溅逛援黎步避惫瓿，鼓亵党旗数器夔袋鬃，霉逶过缡程对数搀逃行 处理。 关键词：离温超导，懋潜力，导向力，磁场扫描，p m a c 疆蠹塞羹盍燮疆蠢登塞塞燮蕊浚塞釜辇莲 a b s tr a c t i no r d e rt o d e v e l o ph i 霸t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i o nm a g n e t i c a l l y l e v i t a t e dt r a i n ，t h es u p e r c o n d u c i o nl a b o r a t o r yo fs o u t h w e s t j i a o t o n g u n i v e r s i t yd e v e l o p e dah i g ht e m p e r a t u r es u p 付r c o n d u c t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e m 。t h i sm e a s u r e m e n t s y s t e m i sc o n s i s t se fn u m e r i c a l c o n t r o l e 棼蘸翌萋e 蕊t s e n s o r n u m e r i c a l c o n t r o l c o m p u t e rd r l y i n gc o n t r o l ，d a t a c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n ga n ds y s t e ms o f t w a r e i nt h ec o u r s eo fu s i n gt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，u s e r sf o u n ds o m e 筘曲l e m sw h i c ha r ei nt h ed i r en e e d 。fr e s o l v e ，s u c ha si tc a n t m e a s u r et e v i t a t i o nf o r c ea n dg u i d a n c ef o r c e8 tt h es a m et i m e ，h i t e t h e s ep r o b l e m sc a nb es o l v e dw i t h o u tc h a n g i n gt h eo r i g i n a lh a r d w a r e e q u i p m e n t f o ru l t i l i z i n gt h ee q u i p m e n ts u f f i c i e n t l y ，i t sr e q u i r e d 馋o p t i m i z et h i sm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dp e r f e c t sr u n e t i o n ， t h i s p a p e ro p t i m i z e dt h es o f t w a r eo fh i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dp e r f e c t e di t sf u n c t i o n sb a s e d 趣a n a l y z i n g t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ss t r u c t u r eo ft h i s m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dit sw o r kp r i n c i p l e s u c hp r o b l e m sh a v eb e e n o p t i m i z e d ：( 1 ) t h e s y s t e m si n i t i a l i z a t i o ni sc a l l e da f t e rm a i n p r o g r a mh a sr u n ，s ot h a tu s e r sc a nc a l lt h es y s t e m si n i t i m i z a t i o n w h e nt h e yn e e d ，( 2 ) m e a s u r i n gl e v i t a t i o nf o r c ea n dg u i d a n c ef o r c ea t o n et i m ew i t hm u l t i t h r e a d ，s ot h 嚣tw ec a l l s t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e n l e v i t a t i o nf o r c ea n dg u i d a n c ef o r c e ( 3 ) a d d 拽f u n c t i o no f k e e p i n gf r o m m i s t a k e n h a n d l e ( 4 ) o p t i m i z e d m e m o r y s a l l o c a t i o na n dd a t a s s t o r a g ef o r m a t 。p e r l e c t e df u n c t i o ni n c l u d es u c ha s p e c t s ：蠢i tc a n m e a s u r ew i t hl i t t l e 1 c o p i n b i gl o o p m e a s u r e m e n tw h e nm e a s u r e l e v i t a t i o nf o r c eo rg u i d a n c ef o r c e ，( 2 ) w h e ns c a nm a g n e t i cf i e l d ，i t s t o r et h ec o l l e c t e dd a t at od i s k 。 篓a d dt h ef u n c t i o no f 器帮羲 媳l i n t e r f a c e s o u t p u t 。 t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rl a b w i n d o w s c v i i tc o n t r o l ss e r v e e l e c t r o m e t e ra n ds t e p p e re l e t r o m o t e r sb yc o m 靴n i c a t i n gw i t h 捧a e ，a n d 誉褒塞逶塞耋羹煮疆襄耋堂蕊浚塞差鎏罴 c o l l e c t sd a t a d a t ap r o c e s s i n gi sr e a l i z e db yp r o g r a m i n g k e y 翳r d s = h i 臻t e m p e r a t u r e 翱o e r c o n d u o t ，l e v ；七蛀i 秘f o r c e | 轴i 蠢a n c e f o r c e tm a g n e t i ef i 蒋l ds c a n n i n g ，懈 鬻纛塞逢塞兰羹塞堑窒奎堂蕊途塞蓥l 嚣 第1 章绪论 1 1 研究背景 2 0 0 0 鼙1 2 莠3 l 霸下午2 点2 6 努，嚣南交遥大学超导接术磷究所( 瑶淹 西南交通大学超导研究_ 肝发中心) 在阑家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的 支持下，研制成功世界酋辆载人高温超导磁悬浮实验车。该车程载重5 个人 对总重鹭5 3 0k g ，悬浮蹇疫大予2 0m r f l 。迄今已在实验室内导软上往返运行 近4 0 0k m ，总计约2 7 0 0 0 人乘坐，僚能细初。该率的研帚4 成功初步证明了商 温超导磁悬浮列车实现的可能性。 高温超导磁悬浮测试系统是此课题迸萼亍研究掰使用的主要测试系统。该 测试系统甑二辘鼗控筏移装置、传黪技术、工控搬数据采集和鲶灌系统、王 控机自动羧制及其系统软件组成。二轴数控位移凝置有一个箱忒立柱及安装 在箱式立柱上的导轨和滚珠丝杠，驱动由步进电机溅伺服电机提供动力。熏 壹方囊亵零警方两上使移羹鑫步进魄撰帮镯羧电撼溺步提供。掰个力建感器 测量力学掇，磁场由霍群探头测量。数据采集和皴骥、电机自韵控制由工控 机及其系统软件支持，由工控机( 数据采集卡以殿电机控制卡，多功能卡) 和 系统软件实现对系统静垒自动测量秘控制。该测试系统采用嬲形他用户界 嚣，可完全在计算撬上遴行铡试搽俸。 该测试系统可以测嫩：单块及多块超导样品程永磁导轨上的悬浮力、导 向力和三维磁场扫描。 在这套溯试系统搜掰魏过程审，发瑷一些翊瓣亟待改进，鳃不糍霹露测 试悬浮力和导向力、在犬循环中进行小循环测试等，而这些问鼷可以在不改 变原系统硬件设施的前提下得到解决。因此，为了更好地利用融有的设施， 充分发挥测试系统豹功能，蔫要对原系统的软件郝分进行优化秘完善，以倭 更好逮测试嵩温超导块搴孝静毪筢，为磅究离温超鼙凳丰富遮实骏依据。本文 的目的就怒对原系统的软件部分进行优化和完善。 耍亩童道美堂亟塑宝生堂焦迨窑差2 亟 1 2 论文所做的工作 ， 本论文所做的工作就是解决发现的这些问题，包括以下内容： 分析高温超导磁悬浮测试系统的硬软件结构及工作原理。 将系统初始化放到程序的主程序运行以后执行，以便根据需要随时 都可以对测试系统进行初始化。 运用多线程编程技术，同时测试悬浮力和导向力，以便研究永磁体 高温超导体块材之间的悬浮力和导向力关系。 在测试悬浮力和导向力时，可以根据需要在大循环中进行小循环测 试。 添加了防止误操作的功能。 在磁场扫描的过程中，将扫描的结果实时地保存到磁盘上，真正实 现三维意义的磁场扫描。 优化了内存分配，优化了悬浮力和导向力数据存储格式，使数据便 于后续阅读和再处理。 添加了测试界面的图形输出功能。 1 3 论文结构 本论文以后的章节安排如下： 在第二章首先介绍了整个测试系统的结构，特别详细介绍了测试系统的 软件组成部分，然后介绍了在这个测试系统中占有十分重要地位的p m a c 运 动控制卡和软件开发平台l a b w i n d o w s c v i 。在第三章详细介绍整个软件的改 进，包括系统的整体结构、悬浮力测试、导向力测试和磁场扫描等。在第四 章介绍了关于软件的相关测试和封装。 第2 章高温超导磁悬浮测试系统 为了研制高温超导磁悬浮车实验系统，并推谶一系列相关技术、相关学 科和相关产业的发展，鞭南交通大学超导技术研究歼发中心研制了高温超导 磁悬浮溅试系统。这燕一耪由寝数仪器梅或麴运动控翻系统，宅遴过诗算瓿 对永磁体与高温超导体相互作用的力、磁关系进行实时数据采榘和处理，并 对测试结槊进行分析、打印、保存等，可大大缩短人工或采用简易装置进行 测试时所截费豹对阕，势胃减少实验孵耩蒂来的人为误差和设番误差。宅是 研究离溢怒导磁悬浮捌率的重要萋确，为世界上熬一辆高溢超静滋悬浮实验 车的研制成功发挥了爨疆作用。 该测试系统主要具有以下功能：( 1 ) 磁场扫檄。对空间任意点的磁场 遴嚣测羹，潋褥妥不嚣磁钵缝合下熬磁场空霾分蠢壤嚣，劳动态蘧示三维溺 量结果。( 2 ) 悬浮力测试。对单块及多块高温超静块材在某种磁场分布情况 下所受到的悬浮力与悬浮间距之间的关系进行测嫩，并实时显涿测量结果。 ( 3 ) 导趣力测试。对壤块及多块离激超导块材农慕嵇磁场分露情况下所受 到的导两力与磁体中，点的距离之闷静关系进行测量，荠实嚣重鼹示测量缝 果。 2 。 骞瀑超导磁悬浮溯试系统疆锋结梅 该系统从硬件上肴，可分为4 个部分：机械部分、控制及数据采集、磁 俸缀合设专 、挂瓦瓶设计。本文不涉及磁体组合设计和挂瓦瓶设计，放只介 绍袄糯和羧制及数据采集这两个部分。 2 1 。1 高瀛超导磁悬浮测试系统机械部分的结构 系缆结构示意图如图2 - i 所示。液氮低温容器6 通过紧丽架5 压紧，然 后通过垂赢力传感器4 悬挂在箱式立柱1 2 的悬臀3 上。悬臂3 沿垂直导轨2 国饲瑕惫辍1 驱动上下运动。被测蕊滠超导体嚣定在液氮低滋容器6 里， 卺巍童鎏盍堂羹塞瑟塞童茎缓逢塞簦垒嚣 其一个表灏与液氮低温容器6 底部内蹙紧贴，使液氮低温容器6 的底面与永 磁体轨道1 1 的上表面保持平行，且两者的中心线投影保持重凝。箱式立柱 1 2 匏底座8 上畜一个受步进毫规控剁豹驱动平台9 ，庆磁搏孰遂l l 固定在 驱动平台9 的滑动板上。永磁体鞔遂n 通过水平力传感嚣l o 逶接在箱式立 柱1 2 上。 1 2 l l l o 91 l 。司羧毫瓤7 + 三缭驱动单元 2 垂直导轨8 底座 3 悬臂9 自驱动平台 74 。垂妻力转感器1 0 。承警力传感器 5 紧固架 i1 永磁体轨道 8 6 液氮低濑容器1 2 箱式立柱 圈2 一l 高温超导磁悬浮测试系统总薅缝构示意匿 在薄麓液氮低温容器6 沿箱式立柱1 2 上下移动时通过垂赢力传感器4 测出力豹数徨，由上下移动静位移量礁定离温超鬈体块材下表鼷与隶磁体轨 道l l 上表露之闻的交纯距离。鸯鼗褥出垂蠢力大小与高溢麓鼯体块较悬浮 间距的关系曲线。由于 l 蕈底液氮低濑容器6 的底麟厚度为3 5m m ，能测量出 薄底液氮低温容器6 在永磁体轨道l l 之上的磁悬浮力。 在庆磁箨辘莲l l 鞠鼹子滚氮低滋容器6 零平移凌露，逶避拳乎力传感 器1 0 测出力的数值，由水平移动的位移量确定液氮低温容器6 与永磁体轨 道1 1 之间的变化距离。由此得出水平力的大小岛水平位移量的关系曲线， 这是高滠怒导体块材在永磁体孰道l l 上导翅力的袭征。 鹰三缎驱动荸元7 实现超导俸擒获磁逶密度瑟( m t ) 帮永磁体辘道磁逶密 度b ( m t ) 的扫描测量。 2 1 。2 蹇澄越导磁悉浮溯试系统羧制浸数嚣采集部分的疆箨结构 本部分硬件结构概图如图2 2 所永。由图可见，该实验装辫的控制部分 由p m a c 多辘运动控制卡、a c c 8 s 魄枫控毒8 扩殿叛、饲骚敷弧控制器、伺 羹塞窑鋈鑫燮瑟塞堑塞塞堂蕊逡塞墓嚣 服电机、步进电机控制器、步进电机、继电器、d a 转换、数牢i o 以及栩 关的机械部分组成。 p m a c 多辘运动控翘器可以同辩攥级1 名令辕 该系统采髑5 辘) ，对每 个轴的控制完垒独立。该控痞器戳p c 播卡静形式插入工控桃憨线上，并可 通过计算机对其编程，从而实现对步进电机和伺服电机的运行速度及位移等 的自动控制。 磁场传感嵇 霍尔变邀器 压力传惑器1 压力传感器2 信 号 调 理 模 块 a d 转 换 微动开哭卜叫数字i o 模块 工 挖 梳 d | a 转 换 继 电 器 p m a c 多鞭逡动控毹器 a c c - 8 s 电机控制扩展板 伺服电梳 控制器 步迸电瓿 控锖0 器 饲骚电瓿| l 步遘电糗 机械部分 鼙2 - 2 毫滋趣霉磁悬浮溪l 漩渡验装耋硬镣凌麓结构握麴 a c c ，8 s 电机控制扩展板用于滚接伺服电机控制器和步进电机控制器， 其方向倍号和步进信母输出与r s 4 2 2 兼容，并且既可与采用麓分模式的伺服 毫瓿囊动耩穗连，凌与采瘸单端模式豹多遂毫撬驱动器提滚，逶可菸囊邀 机位置闭环控制。如果通过跳线与外部编码器褶连，还可形成真正的位置闭 环控制。 数据采集卡上鲍d f a 输出及数譬i o 扳上躲i o 输出控制继电器的断开 稻吸含，势通过便服魄祝控隶l 器、耧溯器及编码嚣控制俑服电梳的运动速度、 运动方向、启动及停止。 伺服电机通过丝杠与悬臂相连，懋臂与紧固架之间装有拉臌式力传感器， 轻瓦藕刘辫定在紧霾絮上。当霞毅彀貔驱动较嚣簸上下运囊辩，力蒋感器受 到向下的麓力( 来自柱鬣瓶、液氮、紧固架、超导块材等的重力) 及向上的悬 浮力( 来自超导块材) ，因此，力传感器的实际测爨值即等于重力减去悬浮力。 在系统襁始纯对可测褥力传感器所受到的重力( 蓑牲瓦瓶处于遮离磁场处， 酉亩窒逗盔掌亟塑究圭芏僮迨塞簋嚣 则受到的悬浮力很小，可忽略不计) ，如果减去该重力，便可得到超导块材 所受到的实际悬浮力的大小。 水平驱动平台上装有力传感器，用于测量超导块材所受到的导向力。当 水平方向上的步进电机转动时，由于力的相互作用，超导块材所受到的导向 力将直接反映到力传感器上，从而可直接得到杜瓦瓶内超导块材所受到的导 向力大小。 步进电机一方面驱动三维平台做x ，y 和z 三个方向上的空间运动，另一 方面驱动永磁轨道做水平移动。三维平台上装有磁场传感器，可测量空间任 意一点的磁场，也可按规定的扫描范围，对该区间进行磁场扫描，并动态显 示三维磁场分布曲线。 数据采集部分主要由传感器、霍尔变送器、信号调理、a d 转换及数字 i o 组成。传感器包括力传感器、磁场传感器及限位开关。通过力传感器采 集超导块材所受到的悬浮力及导向力大小。磁场传感器则用于测量空间任意 一点的磁场分布。限位开关用于限定杜瓦瓶上下运动的范围、确定水平轨道 起始点及三维平台x ，y 和z 轴起始点。霍尔变送器一方面向霍尔传感器提 供恒定电流，另一方面将霍尔传感器输出的信号转换成电压信号，然后经信 号调理转换成a d 板可接收的信号电平，从而得到空间某点磁场的大小。数 字i o 模块首先通过某一通道向限位开关的输人端发送一低电平信号，然后 通过另一数字i o 通道获取限位开关的输出，从而判定当前杜瓦瓶、水平轨 道或磁场传感器是否已经到达起始位置。 2 2 高温超导磁悬浮测试系统软件结构分析 数据采集和处理以及自动控制由一台计算机操作。该实验装置的软件部 分采用n i 公司提供的l a b w i n d o w s c v i 软件开发平台来开发。该软件可开发 出具有较好人机界面的应用程序。它以a n s ic 为核心，主要用于数据采集、 过程监控、自动检测及控制等领域。它可通过c 语言库函数调用方式对p m a c 电机控制卡及a d 数据采样卡编程，从而实现对步进电机、伺服电机的运动 控制以及传感器输入数据的自动采集、处理、显示及打印等。 系统的软件部分主要对pm a c 卡编程以实现对步进电机运动的控制以及 对a d 转换模块，d a 转换模块、i 0 模块等进行编程以实现对传感器传送 酉直窑通盔芏塑班宜生鲎焦诠窑簋2 豆 来的数据进行采集、处理、显示及打印等。其软件结构如图2 3 所示： ( 开始) 设置p m a c 初始参数，设置数字i o 通道 i 备轴电利l 归0 ，删重杜乩瓶还明范围及仞媚重力 0 主模块 l i数据采集模块电机控制模块 j0 l i 悬浮力ll 导向力ll 磁场强度ii 永磁轨道ii 杜瓦瓶ll 磁场传感i l 数据采ll 数据采ll 数据采集l 水平运动1l 垂直运ll 器三维运1 f 集模块ff 集模块 模块ff 控制ff 动拄制 f 动控制 iilill l数据处理及打印输出模块 图2 - 3 高温超导磁悬浮测试系统原软件功能结构图 出图2 3 可见，该软件主要由以下几个部分组成： ( 1 ) p m a c 卡参数设置及i o 通道分配。该模块设置p m a c 卡所必需的初 始化参数，并对i o 通道进行分配，确定其输入输出。 ( 2 ) 电机归0 、杜瓦瓶运动范围及初始重力测定。该模块通过测量限位开 关的状态来判定各轴电机是否已回到初始位置，若限位开关处于闭合状态， 则各轴电机已回到初始位置，否则，须启动电机，使相应的机械装置阐到初 始位置。在垂直方向上，为了测量杜瓦瓶垂直运动的范围，须首先使杜瓦瓶 向下运动，在碰到最下方的限位开关之后，再向上运动回到初始位置，从而 根据电机旋转的角度可确定杜瓦瓶垂直运动的最大范围。在装入液氮，并完 全冷却之后，可通过力传感器得到枉瓦瓶的初始重力。 ( 3 ) 主模块。主模块对所有的模块进行管理、协调，使整个程序能够稳 定可靠运行。 ( 4 ) 数据采集模块。根据不同的实验要求，通过该模块从不同的传感器 上获取不同的数据信息，以便在以后的数据处理时使用。 酉亩毫道盍兰巫叠盥生茎僮迨塞簋g 亟 ( 5 ) 电机运动控制模块。该模块包括运动参数设定以及将这些控制信息 转换成p m a c 卡可以识别的信息，从而完成对伺服电机和步进电机的控制。 ( 6 ) 数据处理及打印模块。该模块将数据采集模块所采集的悬浮力( 导向 力或磁场) 及从p m a c 卡反馈回来的位置信息形成力一位置关系曲线或三维磁 场分布曲线，并实时动态显示出来。在测试完成以后，还可根据需要进行曲 线压缩、扩展及平移等处理，以便使用者观察分析。 2 3 运动控制卡p m a c 介绍 p m a c 卡是美国著名的d e l t a t a u 公司推出的采用基于先进的数字信号处 理技术的第四代传动控制装置。它具有响应速度快，精度高，开发周期短， 编程和操作简单的特点，在发达国家己广泛应用于机器人，数控机床等需要 多轴控制的高精度伺服装置上。 p m a c 具有精确的位置捕捉功能，这使得它非常适用于一些需要反复进行 位置捕捉的应用。在p m a c 工作过程中，不断地接收主机和编码器送来的伺 服控制信号，并在译码、解释、插补计算等处理后输出。p m a c 与主机之间采 用定时中断方式进行通讯，每隔约1 0 m s 进行一次位置采样和伺服控制，利 用双端口r a m 进行信息的交换和协调处理。 位置捕捉功能在一个外部事件进入一个特殊的寄存器时锁住当前编码 器的位置。它完全由硬件实现，而不需要软件的干预( 虽然这是由软件来设 置和服务的) ，这意味着唯一的延迟是硬件延迟，而这在任何机械系统中都 可忽略，所以它提供了难以置信的精确的位置捕捉功能。 另外，位置捕捉功能得到的是编码器的位置，而不是电机或轴的位置。 编码器位置指向最后一次加电或重启时的位置，而不考虑之后执行的任何回 零或偏置命令。p m a c 为了将来的使用而将回零运动中捕捉到的位置存入寄存 器中。这样，知道了编码器零点或回零位置间的偏差，就可以将编码器的位 置与电机的位置相联系。 2 3 1p m a c 的硬件组成 p m a c 由一块主机板及3 0 余种功能扩展模块组成( 在数据采集中使用的 耍亩窑渔盎堂殛塑客垒堂焦迨奎簋2 亟 a d 转换器就是p m a c 的功能模块之一) 。用户如需要扩展轴、扩展i o 、增 加a d 和d a ，或进行输出电压频率转换( 驱动步进电机) 等等，均可以选 用相应的扩展模块。 p m a c 主机板中，核心部件是d s p 5 6 0 0 1 c p u 芯片和两块“用户门列阵”芯 片( d s p g a t e ) ，d s p 5 6 0 0 1 运行速度是i o m i p s ，数据宽度为2 4 位，累加器为 5 6 位，因此指令预取、2 4 位乘法、5 6 位加法、两个数据移动及地址指针修 改，可在一个指令循环中完成，同时有一个四象限正弦值表，可用于系统的 极性转换。 d s p 的c p u 与外部编码器及放大器接口都集成在一块d s p g a t e 上， d s p g a t e 包括：4 路相同编码输入通道：4 个1 6 位串并转换器，用来接受a d 数据：4 个1 6 位并串转换器，用来送出数据到d a ；2 0 路数据输入；8 路 数据输出。 编码器通道可以处理高速度编码信号，功能有：i o m h za b 9 0 0 正交编码 器、2 4 位计数器和寄存器、异常编码检测与报告、高速数字噪声滤波、i t 法测量速度、一个2 4 位外触发位置寄存器，用来当外部事件发生时获得机 器的确切位置。 p m a c 运动控制器可同时操纵1 8 个轴，且每一个轴均完全独立。一 个p m a c 运动控制器可以操纵8 台不同机器的8 个单轴，或者同一台机器的 8 个轴，或者两者之间的任意组合。具有极强的灵活性，适合于现在普通应 用中的多总线结构、不同类型电机、反馈元件以及指令数据结构等。在本实 验系统中，p m a c 卡主要用于控制交流伺服电机和步进电机。 2 3 2p m a c 的软件组成 p m a c 的软件大体上可分为三个部分：变量、命令和程序。 1 变量 在p m a c 中，用户不可以自定义变量名，p m a c 定义了i 、p 、q 、m 四种变量，一个变量由字母后跟o 1 0 2 3 的数字组成，每一种变量都有1 0 2 4 个。i 、p 、q 这三种变量在内存中有固定的位置，m 变量则需要在定义时指 定它的内存起始地址以及数据类型等。 i 变量从i o 到1 1 0 2 3 共1 0 2 4 个，它们分别对整个板，每个轴，每个坐 耍直变通盍篁亟主盈究生堂僮迨室整! q 夏 标系统及编码器通道进行初始化，包括对模式、地址、增益、限制、时间等 p m a c 卡的功能特性进行设景。 p 、q 变量为通用的用户变量，它们各有1 0 2 4 个，均为4 8 位的浮点数， 不需要事先设定，p 变量在整个系统中使用，q 变量仅在坐标系统中使用。 m 变量也有1 0 2 4 个，类似于指针变量，通过m 变量用户可以方便地访问 存储器、寄存器、i o 口，主要用于输入、输出、计数、a d 、d a 等。 2 命令 p m a c 的指令系统丰富，总体分为在线指令和缓冲区指令两大类，相当一 部分指令可以被p m a c 以函数形式调用。在线指令可以在主机与p m a c 建立基 本通讯之后即可以直接予以执行，也可以在缓冲区内执行；而缓冲区指令必 须首先以指令方式打开一定容量的p m a c 内存区域，为即将执行的系统指令 分配缓冲区，然后才能加以执行，运动程序和p l c 程序指令等就属于此类指 令。 在线指令主要用于系统的初始化和调试，而缓冲区指令则主要是实现编 写运动程序和p l c 程序。 p m a c 的命令大多数是在线命令，p m a c 接到后立即执行，产生指定的动 作，改变变量值或显示需要的信息等。在线指令分为三种： 轴命令：由# n 命令给轴编号，如# 1 表示定义为1 号轴。以后则可使用其 它的轴命令对该轴进行在线控制。如慢速运动、回零位、开环、闭环、点动 等。 坐标系统命令：由n 给坐标系编号，如1 表示该坐标系为1 号坐标系。 通过定义坐标系，用户可以对3 个轴进行灵活控制。 全局命令：这类命令不针对某个特定的轴或坐标系统，主要完成定义变 量的操作。 系统初始化、参数下载等没有实时性要求的操作都是通过在线命令完成 的。 缓冲区命令包括运动程序命令和p l c 程序命令。 3 程序 p m a c 中可存储多达2 5 6 段程序，主要分为运动程序和p l c 程序两种，任 一段程序都可以被一个或多个坐标系统同时执行。可存3 2 段内嵌式p l c 程 序，系统的操作面板命令是通过p l c 程序来执行的。p m a c 的运动程序较p l c 酉亩套通太坐亟班究生堂焦迨室簋! ! 夏 程序优先级高，实时性也要强一些，可以用来编写用户的特殊功能程序。 2 3 3 工控机与p m a c 之间的通讯 p m a c 提供了三种与主机的通讯方式：串口通讯、总线通讯以及d p r a m 通 讯。 串口通讯通用性强，无论是w i n 9 5 n t 系统、d o s 系统还是单片机系统， 都提供有串行口通信函数。但串口通讯主要有以下3 个缺点： ( 1 ) 传输速度慢： ( 2 ) 传输容量有限，不能用来传递数据量很大的数据，否则等待时间 太长： ( 3 ) 在w i n 9 5 n t 下，受其管理机制的影响，不能用来实时传递严格定 时的数据。 所以此数据采集系统选用了总线通讯。总线通讯方式是指主机到指定的 地址上去寻找p m a c 运动控制器，其中指定的地址是由p 姒c 跳线确定的。 d e l t at a u 公司为p m a c 在w i n 9 5 或w i n n t 上进行3 2 位的应用程序开发 提供了3 2 位通讯函数库p c o m m 3 2 ，p c o m m 3 2 是一个由2 0 0 多个函数组成的通 信驱动器，方便了用户定制和开发自己的c n c 系统。通过调用p c o m m 3 2 中的 函数，我们可以非常方便的与p m a c 进行通信，控制电机的运动等。在这些 函数中，使用最频繁的是p m a c g e t r e s p o n s e a ( ) 函数，这个函数将命令字符 串( 如“# 1 j + ”) 发送给p i a c ，并把任何不能确定的反应放在一个字符串中， 以便用户使用。它的函数原型如下： i n t p m a c g e t r e s p o n s e a ( d w o r dd w d e v i c e ，p c h a rr e s p o n s e ，u i n t m a x c h a r ，p c h a rc o m m a n d ) ： 各参数的意义如下： d w d e v i c e ：设备号： r e s p o n s e ：是指向字符串缓冲区的指针，用来保存p m a c 的反应； m a x c h a r ： r e s p o n s e 可以保存的最大字符数； c o m m a n d ：是一个指向以n u l l 结束的字符串，这个字符串作为命令发送 给p m a c 。 返回值：如果成功，则函数返回接收到的字符数( 包括握手字符) ；否 酉亟窑逼盍堂塑瑟究垒堂焦途室簋1 2 亟 则返回0 ，意味着有错误发生。 此外，d e l t at a u 公司还提供了p m c v x d 和p m a c s y s 文件，它们以动 态连接库( d i i ) 的形式( 即p i n a c d 1 1 ) 动态或者静态地加载到应用程序中， 并链入w i n d o w s 操作系统的核心层。这样p c o n m 3 2 就能很好地工作在v c ，v b 等编译器和不同操作系统平台下，实现应用程序与p m a c 的可靠通讯，保证 用户完成对应用程序的开发。 2 4l a b w i n d o w s c v i 介绍 l a b w i n d o w s c v l ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是由美国国家仪器 公司开发的面向测试领域的功能强大的虚拟仪器开发工具。它以标准c 语言 为开发环境构建仪器系统，采用交互式的编程方式。同时，它以丰富的功能 函数库大大地增强了c 语言的功能。l a b w m d o w s c v i 主要用于各种测试、控 制、信息处理软件的开发，对于熟悉c 语言的开发人员，l a b w i n d o w s c v i 是建立检测系统、自动测试系统、数据采集系统、过程监控系统的理想开发 工具。 l a b w i n d o w s c v i 具有如下特点： ( 1 ) 集成开发环境，将编译、连接、调试、源代码编程等集成在一个 交互式开发平台中，可以快速的编写、修改、调试程序，并形成可执行文件： ( 2 ) 程序具有自动生成能力。l a b w i n d o w s c v i 自动生成源代码头文件、 声明界面对象常量及相关的回调函数，这大大减轻了不少程序员在软件开发 中编写源代码的工作量： ( 3 ) 功能强大的函数库。l a b w i n d o w s c v i 具有大量的函数库，包括g p i b 总线仪器控制库、r s 2 3 2 串行通讯i o 库、v x i 应用库、标准v i s a 库、数据 与信号分析库、格式化和标准输入输出库等。l a b w i n d o w s c v i 强大的功能很 大程度上体现在其丰富的函数库上； ( 4 ) 交互式的编程方式。l a b w i n d o w s c v i 编程技术采用事件驱动方式 与回调函数方式，对每一个回调函数都提供了一个函数面板，用户可以在函 数面板上交互式的输入函数的每个参数。在脱离主程序源代码的情况下，可 直接在函数面板中执行函数操作，并可方便的把函数语句嵌入c 源代码中。 这种交互式的编程方式大大地减少了源代码的键入量，减少7 程序语法可能 酉直窒通盘坐亟班宝生堂僮诠塞整! 速 出错的机会，提高了工程设计的效率与可靠性； ( 5 ) 提供简单直观的用户图形界面设计。l a b w i n d o w s c v i 提供的人机 界面编辑器运用可视化交互技术实现“所见即所得”，使人机界面的实现直 观简便； ( 6 ) 基于c 语言，使熟悉c 语言的开发人员易于学习； ( 7 ) 丰富的控件，易于设计美观、具有个性化的用户图形界面。 利用l a b w m d o w s c v l 开发的数据采集与分析、过程控制的应用程序一般 具有图2 - 4 的结构。 图2 4l a b w i n d o w s c v l 程序的一般结构 利用l a b w i n d o w s c v i 开发虚拟仪器，就是编制软件形成一个完整的工 程文件。使用虚拟仪器就是调用并运行已建立的工程文件。在c v i 中，一个 完整的工程文件由三部分组成：用户界面资源文件( u i r 文件) 、用户界面资 源中的所有资源定义的头文件( h 文件) 、包含主程序与用户界面资源中面 板、菜单、控件的消息响应处理文件( c 文件) 。软件设计时，首先应建立 一个工程文件，然后编制用户界面文件，用l a b w i n d o w s c v l 提供的丰富的 控件设计用户界面，并对各控件属性进行设置：再利用软件的代码自动生成 器生成程序的主函数与消息回调函数框架；在主函数与消息回调函数框架中 添加代码；然后再进行代码与程序调试；生成工程文件；程序编译、连接与 修改工程文件；最后生成可执行文件。 酉亩窑通太堂亟婴窒生堂焦迨变簋! 垒亟 设计中常用函数介绍： g e t c t r l v a l ( i n tp a n e l _ h a n d l e ，i n tc o n t r o l i d ，v o i d * v a l u e ) ：该 函数用于获取控件的当前值。其中p a n e l - h a n d l e 为控件所在面板句柄， c o n t r o l i d 为控件标志号，* v a l u e 用于存储所获取的控件值变量。 s e t c t r l v a l ( i n tp a n e lh a n d l e ，i n tc o n t r o li d ，v a l u e ) ：该函数用于 设置控件的当前值。p a n e lh a n d l e 、c o n t r o l _ i d 意义与g e t c t r l v a l 函数相 同，v a l u e 为赋给控件的值。s e t c t r l v a l 常与g e t c t r l v a l 函数常结合使用 来控制控件的状态或显示值。 f m t ( v o i d * t a r g e t ，c h a r * f o r m a t s t r i n g ，s o u r c e1 ，s o u r c e n ) ： 用于对数据或字符进行类型转换。* t a r g e t 用于存放转换后的数据， * f o r m a t s t r i n g 为进行类型转换的字符串，s o u r c e l s o u r c e n 为需要进行转 换的数据或字符。如f m t ( m e s s a g e d a t a ，”s # 0 8 1 3 0 i w 1 ”，1 ) ，将整数l 附加在# 0 8 1 3 0 后b p # 0 8 1 3 0 1 转换为字符串赋给变量m e s s a g e d a t a ， w 1 表示 加在# 0 8 1 3 0 后的数据为l 位，“ d ：$ 0 0 2 b ”) ，让p m a c 在地址$ 0 0 2 b 处定义m 1 6 2 变量为4 8 位双字节长的定点有符号整数。 酉亩童逼盔堂亟土壁塞生耋焦诠塞墓! 嚣 3 3 2 数据采集卡的初始化 对数据采集卡的初始化主要是对数据采集卡的数字i o 进行设置，主要 包括对a d 采样通道的分配、数字i 0 输入输出的定义以及各通道初始值 的确定。 在这儿使用的函数是d i g _ l i n e _ c o n f i g0 ，其函数原型如下： s h o r tc v i d a q f u n cd i g _ l i n e _ c o n f i g ( s h o r tb o a r d ，s h o r t p o r t 。s h o r t l i n e ，s h o r td i r e c t i o n ) ： 这个函数设置某个i 0 通道为输入，或者是输出。各参数意义如下： b o a r d ：板卡设备号 p o r t ：数字i o 号 l i n e ：数字线，变化范围为o 7 d i r e c t i o n ：方向，0 表示输入，l 表示输出 3 3 3 各电机归0 此外，初始化还完成各电机的归0 操作，即各电机回到初始位置。采取 的方法是：首先，通过a d 数据采集卡上的数字i o 的某一位向处于0 点 位置的微动开关的输入端发送一低电平信号。然后检测微动开关的输出端是 否为低，若为低，则表明此时电机正处在初始位置，无须做归0 操作；若不 为低，则启动电机，使其朝0 点位置处的微动开关所在的方向运动，并不 停的检测微动开关的输出电平，直到该电平由高变低为止。 获得电机当前的位置是通过读取m x 6 2 变量的值来取得的。判断电机是 否归0 的整个过程如图3 - 9 所示。 检测微动开关的状态是通过函数d i g i n l i n e 0 完成的，这个函数的功 能是读取指定数字线l i n e 的数字逻辑状态，它的原型如下： s h o r tc v i d a q f u n c d i g _ i n - l i n e ( s h o r tb o a r d ，s h o r tp o r t ，s h o r t 1i n e s h o r t li n e s t a t e ) ： 各参数意义分别如下： b o a r d ：板卡设备号； p o r t ：数字i o 号： l i n e ：数字线，变化范围为0 7 ： * l i n e s t a t e ：返翻数字线豹逻辑状态蕴救媳娥。 图3 9 电机归0 示意图 蠹塞塞逢鑫堂毯塞瑟塞塞耋篷淦塞薹罴 3 3 4 测量杜瓦瓶运动范围及初始重力 在鎏纛方淘上，魏了测量枉瓦裁豢壹运动戆懿毽，矮黄巍使桂嚣瓶囊下 运动，在碰到最下方的黻位开关之臌，再向上运动回到初始僚擞，从而根据 电机旋转的角度可确寇杜瓦瓶垂直遴动的最大范阑。再装入液飘，并完全冷 却之后，w 通过力传感器得到杜瓦激的翘始重力。 3 4 悬浮力测试 在霹蹇澄趣导块毒考瓣性疑掰滋嚣熬一系列测试孛，毫淦怒学块捞( 包攒 单块或多块组合) 在特定磁场环境下所受蓟的憨浮力与悬浮闷距之间的芙 系曲线尤为重要，它照研究高温超姆磁悬浮列车的重要基础。 在测试对，系统将篱先测量杜氍瓶豹扔始璧爨( 因为每次测量时液氮和 超导块誊孝豹重量劳不穗阉) ，敬确定超导块褪蘼受翻静悬浮力大小。该袭媲 重量将保存在内存中，作为测量悬浮力的初始值。在以后测黛中，将减去该 值，从而得到实际的悬浮力大小。 在进行悬浮力测试瓣，瑶蓄宠设嚣与悬浮力磊关豹系绞参数，翔弱缀 电机运动的起始位置、终止位置、运行速度、运行模式良及力传感器的采样 间距等。然后根据这魑参数通过p m a c 卡来控制伺服电机的避渤方式，同时 按照采样阏距实时采艇超导块材所受到的悬浮力丈小，并显涿悬浮力与袋 样闯区之瓣豹关系蘸线。 3 4 1 设置测试条件 在系统完成对p m a c 卡和a d 采集卡的初始化以后，还要设麓好每一次测 试的条件，才可进行实验，测试悬浮力和悬浮间距之间的关系。由于伺服电 机豹运动速度、采样阕跪、挂瓦巍的起止位置、运动方式( 楚黉嚣要往返