（机械工程专业论文）三相正弦脉宽调制信号测试系统的设计与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在s p w m 型变频电路中，逆变器使用最多的是三相桥式逆变电路，由六个逆变管 ( i g b t ) 组成三相逆变桥。在进行逆变的过程中，每一桥譬上下两管的驱动信号都是 互补的，一旦出现一管尚未完全截止，而另一管已经导通的状况，则上下两管直通造成 短路，管子必将立即被损坏。为了避免上述现象的出现，在交替的控制电路中，必须留 出一个等待时间t d ( 死区时间) ，即在给一个管旌加关断信号后，再延迟“时间，才给 另一个管施加导通信号。死区时间l d 的长短，一方面必须足够地长，以保证工作的可靠 性，另一方面又必须尽量地短，否则将引起调制过程的非线性，从而影响逆变后输出电 压的波彤帮数值，所以其裕量是缀小的。西此在交频器工作之前对死区时间妇的准确测 量，是至关重要的。 另外，三相桥式逆变电路是将直流电逆变为对称的三相交流电，这就要求按照一定 的规律来控制三组逆变管的通断，故测量六个逆变管的触发信号s p w m 波的相位关系 也十分必要。 本文采用h c 系列逻辑器件和高速a d 转换器设计了三辐正弦脉宽调制信号数据采 集系统，在s p w m 信号驱动i g b t 前，对三路s p 删控制信号同时进行数据采集，通过对 采集数据的分析来完成s p w m 控制信号的相位关系和死区时间等关键参数的准确测定 从而使功率开关器件i g b t 得到有效而可靠的触发。 为完成系统的初始化和对采集到的数据进行分析，我们为该测试系统设计了基于 w i n d o w s 操作系统下的测试和分析控制软件，可以将采集到的数据还原成波形在屏幕上 显示和测量，并解决 w i n d o w s 操作系统对硬件中断的实时响应问题，开拓了w i n d o w s 的 应用领域。 在完成了系统的软、硬件设计后，我们利用该系统对s p 嘶控制信号的死区时间和 相位关系进行了测试。测试结果表明，该系统作为s p 贼控制领域中的专用测试设备， 是方便和可靠的。 关键词：脉宽调制信号测试数据采集 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t mt h es p w mf r e q u e n c yc h a n g e rc i r c u i t ，t h ec o n t r a v a r i a mu n i tm o s t l yu s e st r i p h a s e b r i d g ec o n t r a v a r i a n tc i r c u i t , w h i c h i sc o m p o s e do fs i xi g b t d u r i n gt h ec o n t r a v a r i a n tp e r i o d ， t h es i g n a lo fe a c hc o u p l eo fi g b ti sc o m p l e m e n t a r y o t h e r w i s et h ei g b tw i l lb ed a m a g e do n c o n d i t i o nt h a to n ei g b ti ss t i l lw o r k i n gw h i l et h eo t h e nh a sb e e nc o n n e c t e d i no r d e rt oa v o i d t h i sc o n d i t i o no c c u r r i n g ，w es h o u l dg i v et h ei g b tad e a dt i m ed u r i n gt h ea l t e r n a n tc o n t r o l l i n g c i r c u i t t h a ti s ，w h e no n ei g b th a sr e c e i v e ds i g n a lt os t o pw o r k i n g , a n o t h e ri g b tw i l ls t i l l w a i tf o rf u r t h e rd e a dt i m et os t a r tw o r k i n g t h ed e a dt i m en o to n l ys h o u l db el o n gc o o u g l lt o p r o t e c t t h ei g b t , h u ta l s os h o u l db cs h o r te 9 0 0 【g ht oa v o i dt h en o n - l i n e a r i t yd u r i n g m o d u l a t i n g t h i sw i l la f f e c tt h ev o l t a g ew a v es h a p ea n df i g u r ea f t e rc o n t r a v a r i a n t s ot h ed e a d t i m e sa l l o w a n c ei sl i m i t e d i ti sv e r yi m p o r t a n tt om e a s u r et h ed e a dt i m ee x a c t l yb e f o r e t r a n s d u c e rw o r k i n g b e s i d e s i fw ew a n tt oc h a n g et h ed i r e c to a l t e o tt 0t r i p h a s es y m m e t r i c a la l t e r n a t i n g c u r r e n tt h r o u g ht r i p l e p h a s eb r i d g ec o n t r a v a r i a n tc i r c u i t , w es h o u l dc o n t r o lt h es i xi g b t s w i t c h e sb yr e g u l a r i t y s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt om e a s u r et h ep h a s ep o s i t i o nr e l a t i o n s h i po f t h et r i g g e rs i g n a ls p w mw a v e ，w h i c hi se m e r g e df r o mt h es i xi g b t t h j sp a p e rp u t sf o r w a r dat h r e ep h a s es p w ms i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s i n g h cs e r i e sl o g i cd e v i c ea n dh i g hs p e e da ，dc o n v e r t e r b e f o r es p w mc o n t r o ls i g n a ld r i v e i gb ，r ，i tc a ns i m u l t a n e o u s l yc o l l e c tt r e ec h a n n e ls p w md a t a c o m p l e t et h em e n s u r a t i o no f p h a s ed i f f e r e n c ea n dd e a dt i m eo fs p w m s ot h a tm a k et h ei g b tg a i n e de f f e c t i v ea n d r e l i a b l et o u c h i n go f f i no r d e rt oi n i t i a l i z et h es y s t e ma n da n a l y s et h ea c q u i r e dd a t a ，w ee x p l o i tam e a s u r i n g a n da n a l y z i n gs o f tw a r eb a s e do nt h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a nr e v e rt h e a c q u i r e dd a t at oo r i g i n a lw a v ea n dd i s p l a yi to r lt h es c r e e na n dn l e a s t l r ci t , h ea l s os o l v et h e w i n d o w sr e a l t i m er e s p o n s et oh a r d w a r ei n t e r r u p t ，e x p l o i tt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fw i n d o w s a f t e rc o m p l e t i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w em e a s u r et h et r i p h a s es p w m c o n t r o ls i g n a lp h a s ed i f f e r e n c ea n dd e a dt i m e n er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i ss y s t e m a st h e 1 1 华中科技大学硕士学位论文 s p e c i a lt e s td e v i c ei ns p w m c o n t r o lf i e l d ，i sc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l e k e y w o r d ：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o ns i g n a lm e a s u r e m e n t d a t aa c q u i s i t i o n j i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽爱所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 5 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件取电子版，允许论文被套圜和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复截手段保存和汇编本学钮论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“j ”) 学位论文作者签名：王垃霞 日期：2 0 0 5 年4 月j 日 指导教师签名： 日期：2 ( 3 0 5 确他 年中月巧一日 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1 1 课题背景、目的及意义【1 3 1 绪论 变频技术是一门能够将电信号的频率，按照具体电路的要求，而进行变换的应用型 技术。变频技术分为交一直、直一直、直一交、交一交四种变换类型，广泛应用于不同 的领域。变频技术应用最广的是变频器。 交流交频器分为交一交和交一直一交两种形式，一般通用变频器以交一直一交变频 器为主流，其基本构成如图卜1 所示，由主回路( 包括整流器、中间直流环节、逆变器) 和控制回路组成，分述如下： 图卜i变频器的基本组成 1 整流器电网侧的变流器i 是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流。 2 逆交器负载侧的变流器i i 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主 开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关的通与断，可以得到 任意频率的三相交流输出。 3 中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机 处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1 。因此，在中间直流环节和电动机之 间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件( 电容器或电抗 器) 来缓冲，所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。 4 控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱 华中科技大学硕士学位论文 动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成 各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采 用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功 能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。 交流变频器功能的实现，从根本上是取决于逆变器部分中功率开关器件能否正确的 导通与断歼。由此功率开关的触发信号就显得格外关键。采用大功率自关断开关器件 ( g t 0 、b j t 、i g b t ) 作为主开关器件的正弦脉宽调制式( s p w m ) 变频器，已经成为 变频器的主流。 在s p w m 型变频电路中，逆变器使用最多的是图2 _ 4 所示的三相桥式逆变电路，由 六个逆变管( i g b t ) 组成三相逆变桥。在进行逆变的过程中，同一桥臂的两个逆变管 总是处于不停地交替导通和截止状态，以u 相为例，见图1 2 a ，或由v t l 导通、v t 4 截止转换为v t l 截止、7 r 4 导通，或反之，以得到图1 2 b 所示的输出波形，实现直流变 交流。在交替过程中，一旦出现一管尚未完全截止，而另一管已经开始导通的状况，将 立即引起直流高压经v t l 和j 的直通，相当于短路，v t l 和v t 4 必将立即被损坏。为 了避免上述现象的出现，在交替的s p w m 控制电路中，必须留出一个等待时问t a ( 死 区时间) ，如图1 2 c 。即在给一管施加关断信号后，再延迟“时间，才给另一个管臆加 导通信号。死区时间t a 的长短，一方面必须足够地长，以保证工作的可靠性，另一方面 又必须尽量地短，否则将引起调制过程的非线性，从而影响逆变后输出电压的波形和数 值，所以其裕量是很小的。死区时间“主要由功率开关器件的关断时间决定。所以在变 频器工作之前对死区时间幻的准确测量，是至关重要的。 t d b ) ( c ) 蚓卜2 逆变电路的桥臂及波彤 ( a ) 桥臂电路( b ) 桥臂的输出波 ( c ) 变替的控制波 2 华中科技大学硕士学位论文 另外，三相桥式逆变电路是将直流电逆变为对称的三相交流电，这就要求按照一定 的规律来控制六个逆变管的通断，故测量六个逆变管的触发信号s p w m 波的相位关系 也是十分必要的。 目前，普通示波器难以定量地分析出s p w m 波的死区时间，对相位关系的测试也 不够准确和方便。为此，我们设计了三相s p w m 信号数据采集系统，以完成三相p w m 逆变器中六个功率开关器件i g b t 驱动信号的正确时序和死区时间的测定，使功率斤关 器件得到有效可靠的触发，保证变频器能够正常工作。 变频器主要应用于交流调速领域。目前，交流调速传动已从最初的只能用于风机、 泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制中，例如：在电梯 中需要对交流电动机转速进行平滑控制，实现以往控制方式中达不到的平滑加、减速特 性，直接进行准确停车。在数控车床、自动车床、磨床等众多杌床中，工件加工时兵有 频繁的加、减速与停止操作，要求速度再现性好，以确保产品质量的稳定。在装卸与搬 运中，为提高吊车的平稳运行以及停止精度，要求吊车提升和放下速度可随负载的作业 内容任意变化。在钢铁生产线上，为了保证生产线整体协调运行，要求快速调速控制， 以保证加、减速以及空转运行时生产线的稳定性。可见，变频调速技术己广泛应用f 冶 金、轻工、纺织、机械等行业中因此对变频器中s p 删控制信号的测量有着十分重要的 意义。 1 2 国内外研究概况卜7 1 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后半期开始电 力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( i 极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功率晶体管) 、 m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、s i t ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) 、m g t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( m o s 控制晶闸管) 发展到今天的 g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 、 h v i g b t ( 耐高瓜绝缘栅双极型晶阉管) ，器件的更新促使电力变流技术的不断发展。2 0 世纪7 0 年代”始，脉宽调制变压变频( p 咖一v v v f ? ) 调速研究引起了人们的高度重视、2 0 世纪8 0 年代，作为变频技术核心的p w f d 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣并褂出 3 华中科技大学硕士学位论文 诸多优化模式，其中以鞍形波p w m 模式效果最佳。2 0 世纪8 0 年代后半期开始，美、日、 德、英等发达国家的v v v f 变频器己投入市场并广泛应用。w v f 变频器的控制相对简单， 机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广 泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比 较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转 矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速【引。矢量 控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流厶、西、五、通 过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流厶l 、 i ，再通过按转子磁场 定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流五l 、 t ( 血相当于直流电动机的 励磁电流： l 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求 得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动杌的控制。矢量控制 方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统 特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复 杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不 足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。 目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在 定子坐标系下分析变流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流 电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模 仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。v v v f 交频、矢量 控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因 数低，谐波电流大直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能 进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变频应运而生。由于矩阵式交一交变频省去了中 间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率闵数为l ，输入r u 流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚来成熟，但仍吸引着众 多的学者深入研究， 电子测量仪器的发展大致经历r 四代产a i n i ：第一代模拟仪器；第：代数字化仪器： d 华中科技大学硕士学位论文 第三代智能仪器：第四代虚拟仪器。在现代电子测量领域中，虚拟仪器无疑是现在和将 来自动测试技术发展的主要方向。虚拟仅器o r m u a li n s t r u m e n t , 简称v o i 现代计算机技 术和仪器技术深层次的结合。随着计算机技术和仪器技术的发展，由硬件电路实现的信 号处理功能正逐步由软件替代。虚拟仪器是以软件为核心，由计算机及必要的硬件组建 起来的测试系统或仪器系统，在汁算机上对虚拟仪器面板的操作与现实中的仪器面板操 作一样。测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。 数据分析和显示完全用计算机的软件来完成，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可 以与计算机组成测量仪器这就是虚拟仪器。在虚拟仪器中，用户可以自己设计或定义 新的理论和新的算法来适应不同的测量需求，也即可以使用同一个硬件系统，只要应用 不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器，仪器的功能更加灵活、强大，所 以有“软件就是仪器”的说法。因此，虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与；受| l 控系统硬件 资源和虚拟仪器软件资源的有效结合。传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算 机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的 软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益， 因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。 1 3 课题研究的主要内容 本论文的指导思想： 在深入分析s p w m 控制信号的基础上，参照数字示波器的功能和实现原理及其他众多 数据采集系统的设计方法，充分利用计算机资源，设计出成本低廉稳定可靠的s p w m 信 号测试系统。 本文所做的工作如下： 1 、介绍了s p 州控制技术的基本原理，为以后的硬件设计和软件设计打下了良好的 基础。 2 在熟悉数据泛集系统设计的一般方法的基础上完成三相5 p i v m 波测试系统的硬 件设计。 s 华中科技大学硕士学位论文 3 、在深入分析 w i n d o w s 消息驱动机制的基础上，解决t w i n d o w s 对自动控制领域 中实时系统的中断响应问题，为该测试系统设计了基：j ：w i n d o w s 操作系统下的测试和分 析控制软件。 4 、介绍利用该系统对三相s p 删波进行的测试实验。 n 华中科技大学硕士学位论文 2 三相s p w m 波控制技术 脉宽调制弘j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 控制方式就是对逆变电路开关器件 的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替 正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等 值电压为正弦波状，所获得的输出电压平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽 度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。 图2 - 1 是电压型p w m 交直一交变频电路。整流电路为不可控整流，它的输出电 压经电容滤波( 附加小电感限流) 后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器上。逆变电 路采用自关断器件。控制逆变器开关器件的通断，在其输出端即获得一系列宽度不等的 矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称脉宽调制方 法。 不可控整流逆变电路 本 + 上u d l u 。时，给上桥臂晶体管v t l 以导通信号，给下桥臂晶体管v r 4 以关断信号，则u 相相对于直流电源中性点n 。的输出电压“u = u d 2 。当u r u s e t h i n t m o d e ( t g a d g e t w i n d o w ：e n t e r h i n t s ) ； t s e p a r a t o r g a d g e t 事p g s e p a r a t o r l = n e wt s e p a r a t o r g a d g e t ( 5 ) ： c o n t r o l b a r 一 i n s e r t ( * p g s e p a r a t o r l ) ： t b u t t o n g a d g e t * p g b u t t o m = n e wt b u t t o n g a d g e t ( t r e s l d ( e x i t ) c m f i l e e x i t ) ： c o n t r o l b a r 一 i n s e r t ( * p g b u t t o n ) ： f r a m e 一 n s e r t ( * c o n t r o l b a r ，t d e c o r a t e f r a m e ：t o p ) f r a m e 一 s e t l c o n ( t h i s ，t r e s l d ( i c o n 1 ) ) ； n c m d s h o w = s w s h o 骶i a x l m i z e d ； e n a b l e c t l 3 d ( ) ： 其中，f r a m e 为该主窗口的句柄，p g b u t t o n 为创建的控件的指针，p g s e p a r a t o r l 为创建的分隔符的指针，这两个构件均插入控制条。 2 不可见的m d i 客户窗口。它是我们以t m d i c i i e n t 类为基类而派生的子类 m y m d i c l i e n t 类的实例。m y m i ) i c ll e n t 类的实例也在应用程序类的i n i t m a i n w i n d o w s 函 数中创建，并作为t d e c o r a t e d m d l f r a m e 构造函数的参数c l i e n t w n d 。它负责处理菜单消 息和w i n d o w s 系统消息，如激活一个m d i 子窗口，安排m d i 子图标，级联和并列m d i 予 窗口，关闭岫i 子窗口和创建m d 子窗口。与t d e c o r a t e d m d i f r a m e 可见窗口相连的菜 单含有丰富的功能，波形的显示采样频率的设置、启动采样等均通过该菜单完成。这 些菜单消息通过m y m d l - - v l i e n t 窗口管理。整个系统软件设计的关键是设计这些菜单项 的菜单响应函数。如通过“设置采样频率”菜单项，用户可通过对话框输入合适的采样 频率。选择好的采样频率被保存在m y m d i c i i e n t 类的私有数据成员h z 内。 3 动态的和可见的m d i 子窗口。它是t m d i c h i l d 类的实例。t m d i c h ii d 类定义了所 有m d i 子窗口的基本行为。子窗口可以在父窗口的客户区内创建。由于子窗口必须在父 窗口的边界内，所以在定义子窗【】前，必须先定义父窗口。t m d i c h ii d 类的构造函数为： 2 8 华中科技大学硕士学位论文 t m d i c h i l d ( t m d i c l e n t & p a r e n t c o n s tc h a rf a r * titl e = o ， t w i m d e w * c l i e n t w n d = o ， b o o ls h r i n k t o c l i e n t = f a l s e ， t m o d u l e * m o d u l e = o ) t m d i c h i l d 类的实例由菜单响应函数创建。由于h y m d i c l i e n t 类处理菜单消息且 m y m d i c l i e n t 的基类是t m d i c l i e n t 类，所以t m d e c l i l d 的构造函数的第一个参数p a r e n t 为t h i s 指针的引用。第二个参数t i t l e 可根据不同类型的子窗口赋予不同的字符串作 为标题。第三个参数c l i e n t w n d 为指向t w i n d o w ( 窗口类) 的指针，我们可根据不同的 需要设计不同的窗口，如文件窗口、图形窗口等。在创建t m d i c h i i d 类实例前，首先创 建指向我们制作的窗口的动态指针，并将该指针赋予该参数。构造函数的最后两个参数 一般置为缺省值f a l s e 和0 。具体过程如下： v o i dm y d e c f r a m e ：c m d r a w d 0 t m d i c h ii d * c h i l d ； d r a w d o u b l e w i n d o w * d d ； d d = n e wd r a w d o u b l e w i n d o w ： c h i i d = n e wt i c h i l d ( * t h i s ，d d - t i t 【e ，d d ) ； c h il d 一 c r e a t e ( ) ： ) v o i dm y d e c f r a m e ：c m d r a w d 0 为绘制三通道波形菜单的菜单消息相应函数，属于 m y m d i c 【i e n t 类。d r a w d o u b l e w i n d o w 为我们设计的绘制三个通道波形的窗口。 4 1 4 数据处理子窗口的设计f 3 5 3 7 】 本系统设计了绘制三通道波形、双通道波形和单通道波形三种绘图子窗口。在这些 窗口中，通过鼠标可完成对波形幅值、相位、死区时阳j 的测试，通过图形控制菜单可对 波形进行分离或组合、放大或缩小的操作。一卜面以绘制三通道波形窗口的设计为例来说 2 q 华中科技大学硕士学位论文 明如何实现这些功能。 绘制三通道波形窗口的窗口类为d r a w t r i p l e w i n d o w 类，该类以t w i n d o w 类为基类， 响应鼠标消息，菜单消息。 在d r a w t r i p l e w i n d o w 的构造函数中将所有开关量置初值，将三个通道的采集结 果的数据文件内的数据分别读入三个巨型动态数组d a t a o 、d a t a l 、d a t a 2 ，每个动态数 组的第一个数据为采样频率。然后创建菜单控件。 d r a w t r i p l e w i n d o w 类的最重要的成员函数为p a i n t 函数。该函数第一次是被c r e a t e 函数隐含地调用。通过该函数可将波形绘制在窗口内。该函数的程序框图如图4 一l 所示。 是否将波形分离m o v e f l a g 。? n y 绘制单一坐标系绘制三个坐标系 根据不同的显示比例分别处理i n d e x = ?根据不同的显示比例分别处理i n d e x = ? l 5 1 0 2 0 l 5 1 02 0 在同一在同一在同一坐在同一坐在三个在三个在三个坐在三个 坐标系坐标系标系按标系按坐标系坐标系标系按坐标系 按1 ：1按 l ：51 ：1 0 绘制l ：2 0 绘制 按 l ：1按l ：5l ：1 0 绘制 按l ：2 0 绘制三绘制三三通道的 三通道的绘制三绘制三 三通道的绘制三 通道的通道的波形波形通道的通道的波形通道的 波形波形波形波形波形 甾4 1p a i n t 函教露旰框图 p a i n t 函数根据三个巨型数组d a t a o 、d a t a l 、d a t a 2 来绘制波形曲线和波形的坐标 系。其中坐标系的纵轴代表电压，横轴代表时间，纵轴单位为每一象素点0 o i v ，横轴 单位由采样频率确定。 d r a w t r i p l e w i n d o w 类的私有数据成员m o v e f l a g 为一b o o l 量，该变量由鼠标左键双 击消息的响应函数操作，该消息响应函数将该变量取反，并调用i n v a l i d a t e 函数，该 函数使用户区无效，并隐含地调用p a i n t 函数。 操作消息响应函数d r a w t r ip l e w i n d o w 类的私有数据成员i n 出x 和m o v e f l a g 并给 华中科技大学硕士学位论文 i n d e x 赋l 、5 、1 0 、2 0 整数值和将m o v e f l a g 取反，然后调用i n v a l i d a t e 函数。p a i n t 函数根据不同的i n d e x 和m o v e f l a g 重新绘制用户区，从而完成对三通道波形的绘制。 d r a w t r i p l e w i n d o w 类响应鼠标左键按下消息。该消息d r a w t r i p l e w i n d o w 的响应函 数首先判断鼠标按下的屏幕位置，如果按下位置不在绘制的坐标系内，则不作处理：如 果在坐标系内，则将按下位置记录在d r a w t r i p l e w i n d o w 类的私有数据员内，将屏幕坐 标转换为相应的时间坐标，以该点的位置作为标尺的起点绘制标尺，并将该点的时间量 显示在用户窗口的底部。 d r a w t r i p e w i n d o w 类处理鼠标移动消息。该消息的响应函数首先判断鼠标的状态， 如果是鼠标左键处于按下状态，则通过屏幕处理技巧拖动标尺，并将新标尺位置与标尺 的起始位置的差值换算成时间差值在用户窗口下方显示，直至左键释放停止拖动标尺。 d r a w t r i p e w i n d o w 类处理鼠标右键按下、右键释放消息。鼠标右键按下， d r a w t r i p l e w i n d o w 根据波形的坐标系将按下的位置坐标换算成波形的数据坐标，保存在 其内部私有变量x 0 、y 0 内，作为放大区域的起始位置，并同时绘制沿纵轴的标志线。 鼠标移动的消息响应函数判断如果是鼠标右键处于按下状态，则在屏幕上移动该标志 线。鼠标右键释放，则将释放时的位置坐标转换为波形数据的坐标x 1 、y 1 ，保存在该类 的私有变量内。然后将标志线标志的该区域与窗口大小相比较，确定波形的坐标单位( 即 每象素点代表的电压和时间) ，重新绘制波形，从而完成波形的放大功能。 4 2w i n d o w s 环境下硬件中断分析【3 1 w i n d o w s 的特点之一就是由w i n d o w s 统一管理系统的硬件资源。它通过设备驱动程 序和外部设备打交道为用户提供标准的接口。它提倡用户不要绕过w i n d o w s 而直接访 问内存或输入输出设备。本采集系统为一用户自制的外部设备，要求以中断方式快速响 应。在自动控制的许多领域，要求硬件中断的实时响应。那么能否在w i n d o w s 环境f 实 现硬件中断的实对响应呢? 通过我们的分析与实践答案是肯定的。 w i n d o w s 是一个多任务操作系统。w i n d o w s 虚拟机管理程序( v m m ) 以中断方式阔度 多个虚拟机( v m ) 的运行；系统虚拟机( s v m ) 以事件驱动方式协调多个w i n d o w s 程序 3 l 华中科技大学硕士学位论文 的运行。第一种以时间片的形式，每个程序被分给一定的时间片，时间片用完，程序终 止转向其它程序。第二种，程序自动终止运行，将控制转向其它程序。在大多数情况 f ，系统处于第二个层次，即多个w i n d o w s 程序同时运行。这时多任务靠消息驱动来实 现。事件产生消息，消息放入消息队列。对每个应用例程，有两个消息队列：系统消息 队列和应用程序消息队列。系统消息队列为所有应用程序共享，来源于系统硬件中断 如图4 - ? - 所示。 外部设备 键盘 时钟 设备 驱动 程序 系统 消息 队列 应用程 序消息 队列 消息 处理 图4 2消息驱动机制 当硬件中断产生时，w i n d o w s 调用相应的设备驱动程序，对中断信号进行分析和处 理，产生特定的消息放入系统消息队列中。消息处理过程如下： g e t m e s s a g e ( ) 从应用程序队列中检取消息 f f 应用程序消息队列中有消息 t h e n 将消息放入m s g 结构中，经转化后送给消息中指定的窗口类函数并执行 e l s e 检查系统消息队列中是否有与本应用程序有关的消息 【f 系统消息队列中有与本应用程序有关的消息 t h e n 与应用程序消息队列中消息处理一样对消息进行处理 e l s e 系统获得切换程序的机会，检查后台程序是否有消息 【f 后台程序有消息 t h e n 依据消息激活相应的应用程序 e l s e 调用w a i t e v e n t ( ) 进入内部函数r e s c h e d u l e ( ) r e s c h e d u l e ( ) 运行一段循环代码，一旦发现消息队列有消息，立即退出循环，并 将控制返回当前程序。 按照上面介绍的消息驱动机制和w i n d o w s 规范，当需要中断时，就应该为中断外设 编写中断驱动程序。但有两点困难：首先，编写w i n d o w s 设备驱动程序需要有专用的丌 发工足d d k 并要傲大量的工作；其二，也是更主要的，不能满足实时惟要求。通过上面 3 2 华中科技大学硕士学位论文 的消息运行机制的分析，虽然驱动程序对中断的响应是实时的，然而系统对由此产生的 消息的处理却不是实时的，因为消息放在消息队列中，一般按先入先处理的原则。为了 满足实时性要求，就应该避开消息循环而直接对中断进行处理。从原理上讲，是可行的， 因为不管是微机运行在何种状态，不管是d o s 环境还是w i n d o w s 环境，当硬件中断时， 它总是终止当前的程序运行，转而去中断服务程序。当执行完服务程序后，再转到当前 程序接着运行。那么为什么w i n d o w s 不提倡直接和硬件打交道呢? 因为w i n d o w s 是多任 务环境，它绕一管理系统的硬件资源，便于资源款共享。用户直接和系统硬件打交道， 易造成对资源的竞争和应用程序之间的相互影响，从而影响系统的性能，甚至导致系统 崩溃。但在自动控制、数据采集等领域，用户自制的外部设备对应用程序来讲，是专一 的设备，不会出现资源竞争的现象。w i n d o w s 是多任务的，但不是剥夺式的，如果应用 程序不返回控制，w i n d o w s 无法得到控制权。因此要考虑不要让中断服务程序占用过多 的c ? u 对丽。可以把最紧追的任务放在中断服务程牟中处理，而把不是很重要的任务通 过向应用程序发送相应的消息来处理，如图4 - 3 所示。其中，值得注意的是，在w i n d o w s a p 发送消息的函数中，消息以两种方式之一送到一个窗口中：即投递( p o s t i n g ) 或发 送( s e n d i n g ) 。应用程序通过其消息队列接收投递的消息。由于消息被置于目标应用程 序之后，控制总是立即返回，因此投递消息到一个队列不会中断当前激活的任务。发送 一个消息，将绕过应用程序队列，直接将目前窗口的窗口函数激活。比较起来， p o s t m e s s a g e ( ) 函数可能是最好的选择，它完全是再入的可以被任何中断服务程序 ( i s r ) 安全调用，用以向应用程序投递消息。同时，由于中断是随机发生的，对中断 进行处理时。要避免对程序的其它部分造成影响。 图4 - 3 中断实时任务处理框图 _一 3 3 华中科技大学硕士学位论文 w i n d o w s 环境下的硬件中断实现模式和d o s 环境下基本一致，主要涉及到中断向量 的修改、保存和恢复，中断服务程序的编写等。有关硬件中断较为详细资料可参考相关 资料，这里我们结合该数据采集系统的软件设计指出其中的注意要点。 启动采集菜单命令的响应函数可用c 语言的函数s e t v e c t 把微机的i r q 3 中断向量 置到我们自己设计的中断服务程序上，并用c 语言的1 o 函数完成数据采集系统硬件必 要的初始化( 确定采样频率，打开采样时钟，开始采集) 。中断在数据采集系统内的缓 存区存满后发生。中断服务程序的任务是关掉硬件时钟、停止采集、发送一个用户自定 义消息给应用程序。m y m d c l i e n t 窗口响应该用户自定义消息：将系统w 2 4 2 5 7 内的数据 读入内存连同这此采样的采样频率一起形成三个相关的磁盘文件，规定每个文件的第一 个字节为采样频率。 4 3 三相s p w m 信号测试系统软件的功能 使用b o r l a n dc + + b u i d e r 开发的w i n d o w s 下用户窗口带有菜单条和状态条。菜单 条包括文件菜单、设置菜单、采样控制菜单、数据处理菜单、图形控制菜单、窗口菜单、 帮助菜单。均为弹出式菜单。状态条可显示采样频率、显示比例、信号周期、相位关系、 死区时间。见图4 - 4 。 图4 - 4用户窗口 3 4 华中科技大学硕士学位论文 文件菜单包括新建、打开、保存、另存为、打印、退出选项。 在对信号开始采集前，要先对系统进行设置。点击设置菜单下的采样频率r 弹出一 个对话框，输入采样频率按确认，即可完成对采样频率的设置，见图4 5 a 图4 5 采样频率的设置 采样频率设置后，还要进行通道选择，以确定在屏幕上显示几通道的波形和显示比 例。见图4 6 。 图4 - 6 通道垃置 采样控制下拉式菜单有开始采样和停止采样两个选项。参数设定后，点击开始采样， 系统开始对信号进行采集，采集结束系统会自动停止采集并将数据还原成波形在剧幕上 显示。各通道的波形可在同一坐标系显示，也i 庄各自独立的坐标系显示。若中途需要 华中科技大学硕士学位论文 停止，则点击停止采样。 通过数据处理下拉式菜单，可对波形进行相位测试和死区时间测试，并能将结果保