引 言
目前現(xiàn)有的測磁儀,，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,，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,，由于其傳感器、放大器及隔離器件本身的技術(shù)原因,，性能相對較差,，容易受到干擾。而且現(xiàn)有測磁儀的功能大都比較簡單,，通常以單通道為主,，外加一個(gè)霍爾傳感器，一般只能測量試品外壁某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,，對于鐵芯內(nèi)部等傳感器無法到達(dá)的部位不能進(jìn)行測量,。顯示終端主要以LED為主，一般只顯示當(dāng)前測量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,，在整個(gè)測量過程中沒有數(shù)據(jù)記錄功能,，需要專人負(fù)責(zé)填寫，使用起來很不方便,。
另外,，現(xiàn)有測磁儀大都不能實(shí)現(xiàn)三相或三個(gè)獨(dú)立的單相試品的測量，測量過程中無法給出最大磁通量,、最小磁通量以及他們分別對應(yīng)的電流,，更無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)心的問題,。更重要的是不能測量激磁電流中有直流分量的磁路,。
以上這些問題使得現(xiàn)有測磁儀在使用過程中總是存在這樣那樣的不足，使測量工作受到很大的限制,。
2 硬件設(shè)計(jì)
新型智能測磁儀的硬件結(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)，通過擴(kuò)展異步通信接口來實(shí)現(xiàn)高速串行通信,。
2.4 鍵盤及顯示單元
鍵盤采用掃描工作方式,，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,。通過鍵盤可設(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)
智能測磁儀的基本工作流程如圖3所示,。上電后首先初始化,，對控制寄存器及I／O口進(jìn)行設(shè)置，自檢無誤后進(jìn)入鍵盤掃描,。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SCI傳到上位機(jī)，否則開中斷進(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)需要通過鍵盤進(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和磁場強(qiáng)度H之間是非線性的。鐵磁材料置于交流磁場中,，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,。磁場變化一個(gè)周期時(shí)，被磁場吸收的能量可用磁滯回線的面積來表示,，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為磁場交變的頻率,；H為磁場強(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)此對一臺(tái)單相試品變壓器進(jìn)行了測量,，記錄電壓,、電流波形及磁滯回線如圖4～圖7所示。并對采樣的電壓,、電流波形的數(shù)據(jù)結(jié)果與fluk434測的結(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,，畸變越嚴(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)重不對稱。
5 結(jié)語
通過設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，該新型智能測磁儀具有以下特點(diǎn)：
(1)采用高精度16位采樣模塊ADS8364,，使得采樣精度大大提高，減小了零飄和測量誤差,。
(2)結(jié)構(gòu)簡潔,，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測量結(jié)果受外部環(huán)境的影響小,。
(3)操作簡單,、功能齊全、使用方便,，下位機(jī)本身就是一個(gè)完整的測量儀器,，再配以上位機(jī)軟件，能夠通過圖形更加直觀地反映測量結(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)不僅能夠測量交流勵(lì)磁回路,，對于勵(lì)磁回路中含有直流分量的磁路也能準(zhǔn)確地測量,。
本文將ADS8364與TMS320LF2407相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了新型智能測磁儀,，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,。