一种伺服电机控制系统的实时监测信号转换装置及其方法，高速光电耦合器隔离电路对SPI 总线的时钟信号、数据信号、SPI 从设备选择信号进行数字隔离，复杂可编程逻辑器件接收经高速光电耦合器隔离后的数据位，并将每16 个数据位组合成一个数据字，发送至USB 设备控制器内的数据缓冲区内；USB 设备控制器电路将数据缓冲区内的数据发送至计算机；电可擦除存储器电路在整个转换装置上电时将存储在电可擦除存储器内的USB 设备控制器固件代码下载至USB 设备控制器内。本发明可以显着提高数字信号控制器与计算机之间的通信速率，更加直观的反应出伺服电机的工作状态，实现伺服电机控制系统的实时监测。

　　技术领域[0001] 本发明涉及一种伺服电机控制系统的实时监测信号转换装置及其方法。
　　背景技术[0002] 在构建伺服电机控制系统或进行伺服电机控制系统现场调试时，工程技术人员往往需要获取电机的目标转速、反馈转速、转速误差、转子位置、电机绕组即时电流以及逆变器的直流电压等实时参数，这些参数的实时性要求通常在微秒级。为了满足实时性要求，数字信号控制器需采用高速总线接口与计算机进行通信。同时，为了方便操作人员对这些参数进行观察，需采用相应的应用软件读取高速总线上的数据，并在用户界面上显示这些参数的实时值或实时曲线。
　　[0003] 目前的实时监测信号转换装置多采用UART 接口完成数字信号控制器与计算机之间的通信，数字信号控制器片内集成UART 接口可以直接与计算机的RS232 总线接口通信。
　　RS232 总线协议简单，但通信速率****仅230.4Kbps，难以满足较高的实时性要求，且易受干扰、可靠性不高，通信时数据的打包与解包过程也相对繁琐，故伺服电机实时监测系统不适于采用这种通信方式。
　　[0004] USB 全称Universal Serial Bus( 通用串行总线)，是一种新型的计算机总线接口，在2000 年发布的USB2.0 规范中****传输速度已经达到了480Mbps( 即60MB/s)，目前在消费电子产品以及智能测控领域得到了广泛应用，USB 总线技术使得计算机和外部设备的连接十分方便。然而，现今的数字信号控制器内却没有集成USB 总线接口，限制了其在伺服电机实时监控领域的应用。
　　[0005] 现今主流的数字信号控制器如Mircochip 公司的dsPIC30F 系列和TexasInstruments 公司的TMS320C2000 系列，其片内集成的通信速率相对较高的接口通常是SPI总线接口，SPI 总线接口通信速率****可达30Mb/s，可基本满足伺服电机监测系统的实时性要求，但是由于计算机上没有SPI 总线接口，数字信号处理器无法与计算机直接通信，增加了采用此种通信方式的伺服电机实时监测系统的设计难度。
　　发明内容[0006] 为了克服现有技术由于数字信号控制器与计算机的通信速率有限与可靠性低等不足，本发明提供一种伺服电机控制系统的实时监测信号转换装置，可显着提高数字信号控制器与计算机的通信速率与可靠性，操作方便，适应性强，工作可靠，且成本较低。
　　[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括供电电路、隔离电路( 采用高速光电耦合器隔离)、复杂可编程逻辑器件、USB 设备控制器和电可擦除存储器。该转换装置采用USB 总线电源供电而无需单独提供电源。供电电路将USB 总线提供的5V 电压变换成3.3V 电压，一方面为高速光电耦合器隔离电路的副边与复杂可编程逻辑器件提供电源，另一方面为USB 设备控制器提供电源。高速光电耦合器隔离电路对SPI 总线的时钟信号、数据信号、SPI 从设备选择信号进行数字隔离，复杂可编程逻辑器件接收经高速光电耦合器  隔离后的数据信号( 数据位)，并由下载至复杂可编程逻辑器件内部的程序将每16 个数据位(bit) 组合成一个数据字(Word) 然后将其发送至USB 设备控制器内的数据缓冲区内。
　　USB 设备控制器电路将数据缓冲区内的数据通过USB2.0 总线发送至计算机；电可擦除存储器电路在整个转换装置上电时将存储在电可擦除存储器内的USB 设备控制器固件代码下载至USB 设备控制器内以使其完成初始化及配置。
　　[0008] 本发明还提供上述装置实现的伺服电机控制系统的实时监测信号转换方法，包括以下步骤：
　　[0009] 1) 数字信号控制器内的SPI 接口为主设备发送模式；通信的数据字长为16 位(bit) 或8 位(bit) ；采用中断或定时的方式实现数据的发送。
　　[0010] 2) 在数字信号控制器与复杂可编程逻辑器件之间设置隔离装置，将数字信号控制器SPI 接口发出的数据信号、时钟信号和从设备选择信号进行隔离。
　　[0011] 3) 检测数字信号控制器SPI 接口的时钟信号与从设备选择信号，并在SPI 接口时钟的上升沿( 当数字信号控制器SPI 接口为下降沿发送数据时) 或下降沿( 当数字信号控制器SPI 接口为上升沿发送数据时) 到来，且从设备选择信号有效时接收数据，完成串入并出转换。
　　[0012] 4) 在USB 设备控制器内开辟数据缓冲区接收复杂可编程逻辑器件并行发送的数据，当缓冲区已满时，采用USB2.0 总线接口将缓冲区内容发送至计算机。
　　[0013] 5) 计算机读取USB 总线上的数据，并完成接收数据的实时显示或根据接收到的数据绘制实时曲线。
　　[0014] 6) 计算机保存数据并生成*.tdms 文件，方便用户对历史数据进行查询。
　　[0015] 本发明的有益效果是：本发明设计的装置可以显着提高数字信号控制器与计算机之间的通信速率，数字信号控制器SPI 接口与可编程复杂逻辑器件之间通信速率为30Mb/s，总体通信速率为521KB/s，完全满足伺服电机控制系统监测的实时性要求。计算机可以显示伺服电机多种参数的实时曲线，更加直观的反应出伺服电机的工作状态，实现伺服电机控制系统的实时监测，为工程技术人员完成伺服电机控制系统的调试和维护提供了便利。
　　[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
　　附图说明[0017] 图1 是本发明的总体结构示意图[0018] 图中，1- 数字信号控制器；2- 数字信号控制器内的SPI 总线接口；3- 高速光电耦合器；4- 复杂可编程逻辑器件；5-USB 设备控制器；6-USB 设备内的端点缓冲区；7- 计算机内的USB 主控制器；8- 计算机；9- 供电电路；10- 电可擦除存储器电路；11- 上位机软件。
　　[0019] 图2 是本发明中的复杂可编程逻辑器件功能示意图。
　　[0020] 图中，3- 高速光电耦合器；4- 复杂可编程逻辑器件；6-USB 设备端点缓冲区。
　　具体实施方式[0021] 本发明包括以下步骤：
　　[0022] 1) 数字信号控制器内的SPI 接口为主设备发送模式；通信的数据字长为16 位(bit) 或8 位(bit) ；采用中断的方式或定时的方式实现数据的发送。[0023] 2) 在数字信号控制器与复杂可编程逻辑器件之间设置隔离装置，将数字信号控制器SPI 接口发出的数据信号、时钟信号和从设备选择信号进行隔离。
　　[0024] 3) 检测数字信号控制器SPI 接口的时钟信号与从设备选择信号，并在SPI 接口时钟的上升沿( 当数字信号控制器SPI 接口为下降沿发送数据时) 或下降沿( 当数字信号控制器SPI 接口为上升沿发送数据时) 且从设备选择信号为有效时接收数据，并完成串入并出转换。
　　[0025] 4) 在USB 设备控制器内开辟数据缓冲区接收复杂可编程逻辑器件并行发送的数据，当缓冲区已满时，采用USB2.0 总线接口将缓冲区内容发送至计算机。
　　[0026] 5) 计算机用户界面应用软件( 以下简称上位机软件) 读取USB 总线上的数据，并完成接收数据的实时显示或根据接收到的数据绘制实时曲线。
　　[0027] 6) 上位机软件具有数据保存功能，并生成*.tdms 文件，方便用户对历史数据进行查询。
　　[0028] 本发明提供一种实现上述方法的装置，包括总线接口转换器( 将SPI 总线接口转换为USB 总线接口) 和上位机软件。其中，总线接口转换器包括供电电路、隔离电路( 采用高速光电耦合器隔离)、复杂可编程逻辑器件、USB 设备控制器和电可擦除存储器。该转换装置采用USB 总线电源供电而无需单独提供电源。供电电路将USB 总线提供的5V 电压变换成3.3V 电压，一方面为高速光电耦合隔离电路的副边与复杂可编程逻辑器件提供电源，另一方面为USB 设备控制器提供电源。高速光电耦合器隔离电路对SPI 总线的时钟信号、数据信号、SPI 从设备选择信号进行数字隔离，复杂可编程逻辑器件接收经高速光电耦合器隔离后的数据信号( 数据位)，并由下载至复杂可编程逻辑器件内部的程序将每16 个数据位(bit) 组合成一个数据字(Word) 然后将其发送至USB 设备控制器内的数据缓冲区内。USB设备控制器电路将数据缓冲区内的数据通过USB2.0 总线发送至计算机；电可擦除存储器电路在整个装置上电时将存储在电可擦除存储器内的USB 设备控制器固件代码下载至USB设备控制器内以使其完成初始化及配置。
　　[0029] 上位机软件是基于LabWindows/CVI 开发的一套与伺服电机控制器相配套的实时监测软件，通过计算机的USB 接口按照相关协议与控制器进行数据通信( 需要总线接口转换器完成SPI 接口到USB 接口的转换)，实现对伺服电机的各种监测功能。上位机软件主要包括“数据实时显示界面”和“历史数据回放界面”，分为9 个屏幕实时显示信号的动态波形及设备的开关状态：
　　[0030] 1. 第1 屏：目标转速值、转速反馈值、转速误差值；[0031] 2. 第2 屏：母线电压；[0032] 3. 第3 屏：电机三相绕组U/V/W 占空比；[0033] 4. 第4 屏：电机三相绕组电流；[0034] 5. 第5 屏：4 路模拟量输入1 ；[0035] 6. 第6 屏：4 路模拟量输入2 ；[0036] 7. 第7 屏：电机霍尔及旋变信号；[0037] 8. 第8 屏：功率板温度及电机温度；[0038] 9. 第9 屏：开关量状态。
　　[0039] 上位机软件可以根据需要显示不同组合的实时曲线。在绘制实时曲线的同时，用户可以根据需要修改实时曲线显示窗口的屏点数、坐标轴上下限、坐标轴网格大小、背景颜色、网格颜色等属性，以便观察波形。
　　[0040] 上位机软件可以实时显示伺服电机控制器故障状态，方便用户排除控制器软硬件故障。
　　[0041] 上位机软件具有数据保存功能，并生成*.tdms 文件，方便用户对历史数据进行查询。在“历史数据回放”界面中，用户可对历史数据进行回放查询，并可以对曲线进行局部缩放。
　　[0042] 为了体现本发明的可实施性，这里以上海登奇机电技术有限公司生产的GK6105-8SC61 伺服电机为被控对象、Texas Instruments 公司的数字控制器TMS320F28335为主控芯片的控制系统以及Cypress 公司的USB 设备控制器CY7C68013 为例采用本发明的装置构建一个伺服电机实时监测系统。
　　[0043] 1) 以控制系统驱动伺服电机正常运转，配置数字信号控制器的AD 转换模块，将各个传感器检测到的伺服电机参数转换为数字量，开辟一定容量的数据缓冲区存储转换结果。
　　[0044] 2) 按照步骤1) 的要求，配置好数字信号控制器内的SPI 通信模块。在数字信号控制器与复杂可编程逻辑器件之间采用高速光电耦合器对数字信号控制器SPI 接口发出的数据信号、时钟信号和从设备选择信号进行隔离，高速光电耦合器的带宽必须大于SPI 时钟频率，如SPI 时钟为30MHz，则高速光电耦合器的带宽就必须高于30MHz。本发明涉及的装置采用高速光电耦合器ADUM1401C，其带宽为90MHz。
　　[0045] 3) 复杂可编程逻辑器件检测数字信号控制器SPI 接口的时钟的上升沿( 当数字信号控制器SPI 接口为下降沿发送数据时) 或下降沿( 当数字信号控制器SPI 接口为上升沿发送数据时)、从设备选择信号以及USB 设备控制器内的缓冲区的状态信号；在SPI 总线时钟的上升沿( 当数字信号控制器SPI 接口为下降沿发送数据时) 或下降沿( 当数字信号控制器SPI 接口为上升沿发送数据时) 且从设备选择信号为有效时接收数据；将每16 个( 通信数据字长为16 位(bit) 时) 或8 个( 通信数字字长为8 位(bit) 时) 二进制位(bit)组合成1 个数据字(Word) 并且在USB 设备控制器内的缓冲区的状态信号表明缓冲区未满时将这1 个数据字(Word) 并行发送至USB 设备控制器内的缓冲区内。本发明涉及的装置采用复杂可编程器件EPM3128ATC100 完成串入并出转换任务，EPM3128ATC100 内所需代码见附件1。
　　[0046] 4) 在USB 设备内部开辟缓冲区，并由USB 设备控制器对其内部的缓冲器实时监测，当缓冲区已满时，将其内部的数据通过USB 总线发送至计算机，USB 传输方式为批量传输方式(Bulk)。本发明涉及的装置采用CY7C68013A 作为USB 设备控制器，在其内部开辟大小为256 个字节(Byte) 的缓冲区，其USB 设备控制器内的固件程序采用Cypress 公司提供的固件程序框架，只需将传输方式配置为批量传输(Bulk) 即可。
　　[0047] 5) 上位机软件在计算机中开辟一定容量的数据缓存区，读取USB 总线上的数据并将其存入数据缓存区，按照约定的通信协议完成接收数据的解包，在STRIPCHART 控件上实时显示伺服电机参数并根据接收到的数据绘制实时曲线，上位机软件代码见附件2。
　　[0048] 6) 上位机软件可将接收到的数据保存为*.tdms 文件，方便用户对历史数据进行查询。  [0049] 为更具体说明本发明涉及的方法及装置，下面给出实例实施步骤。
　　[0050] 1) 以控制系统驱动伺服电机正常运转，配置数字信号控制器的AD 转换模块，将各个传感器检测到的伺服电机参数转换为数字量，开辟一定容量的数据缓冲区存储转换结果。
　　[0051] 2) 配置数字信号控制器的SPI 总线接口模块[0052] 数字信号控制器TMS320F28335 采用外部30MHz 晶振，经片内锁相环8 倍频与分频器2 分频后得到系统时钟为120MHz ；SPI 模块工作在增强FIFO 缓冲模式，建立16 级深度的发送和接收缓冲，工作方式选择主设备发送方式；SPI 模块时钟定为30MHz(TexasInstruments 技术手册规定SPI 模块时钟不得超过系统时钟的四分之一) ；SPI 模块的通信数据字长为16 位；时钟模式为无相位延迟的下降沿模式，高电平有效；数据发送为定时发送，每50μs 将若干个16 位的数打入FIFO 缓冲然后由SPI 模块发送。
　　[0053] 完成以上配置后，可用示波器测量SPI 总线的时钟信号与SPI 从设备选择信号，可以观察到只有当SPI 时钟信号存在时，SPI 从设备选择信号才为低电平，并且只有当SPI 从设备选择信号为低电平时SPI 时钟信号才存在。
　　[0054] 3) 将数字信号控制器TMS320F28335 的SPI 模块与本发明设计的硬件装置用数据线(4 根) 连接起来，可以用示波器观察高速光电耦合器的副边输出。
　　[0055] 如果高速光电耦合器正常，应能用示波器在其副边观察到隔离后的SPI 总线的时钟信号与SPI 从设备选择信号。
　　[0056] 4) 下载复杂可编程逻辑器件内的所需的代码。
　　[0057] 完成上述工作后，如果复杂可编程逻辑器件正常，应能用示波器在复杂可编程逻辑器件的输出数据总线上观察到数据信号的波形。
　　[0058] 5) 将Cypress 公司提供的CY7C68013 固件程序下载至电可擦除存储器内。
　　[0059] 6) 在计算机上安装Cypress 公司提供的通用USB 设备驱动程序。
　　[0060] 在计算机上安装上位机软件。设备连接成功后，启动上位机软件，即可开始对伺服电机控制系统的监测。

电机选型：http://www.zgbjdj.com/bbs_read.asp?id=4220

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