[发明专利]一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置

摘要

本发明公开了一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，属于电源特性测试技术领域。该装置专用于处理经过调理变换为±10V的电源特性参数信号，具有信号采集，数据还原、存储、计算分析等功能。本装置硬件部分共分六大模块，分别是主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块、存储模块和显示模块。其中，主控模块装置的核心部分，本装置通过主控模块实现对其他模块的协调控制管理。本装置的软件部分，包括各个模块之间的通信协议，显示操作界面和数据计算处理方法，通过编译器直接将代码嵌入主控模块的核心处理芯片。软件部分既可以根据用户需求修改和定制，也有固化代码模块，根据不同使用需求选择合适的代码进行编译并嵌入主控模块处理芯片。

主权项

1.一种基于ARM架构的电源信号采集特性提取装置，其特征在于：包括主控模块、电源模块、传输模块、信号采集模块转换模块、存储模块和显示模块；主控模块，实现对电源模块、传输模块、信号采集模块、存储模块和显示模块的协调控制管理；由ARM芯片和外围辅助电路构成，外围辅助电路根据主控模块需要实现的功能并配合ARM芯片设计，通过外围辅助电路，ARM芯片完成对其他模块五个的协调管理；主控模块的ARM芯片内嵌有数据处理和协调管理的算法，所述数据处理和协调管理算法包括各个模块之间的通信协议，显示操作界面和数据计算处理方法，计算采用电源采集提取装置采集得到的信号数据进行修正的算法；测试结果修正算法首先采用最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算，得到典型的、能够反映信号真实状态的信号数据，然后再对这些数据进行二次拟合计算，该算法是软件的核心部分，能够满足电源信号处理的功能；作为软件部分，所述算法通过编译器直接将代码嵌入主控模块的ARM芯片，所述算法既可以根据用户需求修改和定制，也可以为固化代码模块，根据不同使用需求选择合适的代码进行编译并嵌入主控模块的ARM芯片；信号采集转换模块，采集经过调理转换为±10V的电源模拟信号，然后通过D/A芯片将采集到的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号传输到主控模块进行数据处理；存储模块，作为数据存储部分，将经过主控模块处理的数据存储起来，由主控模块通过指令随时调用存储的数据，存储模块可根据指令，将存储的数据通过主控模块和传输模块传到外部存储设备，如U盘或者移动硬盘灯存储设备中；传输模块，实现数据内部和外部的相互传输；通过指令协议由主控模块协调控制，将需要的数据传输到外部设备中，同时将外部设备的信息可以传输至主控模块中，信息可以在外部存储设备的本发明装置之间相互传输；电源模块，作为供电部分，完成对外部220V交流供电的电能转换，将外部电源信号转换为该装置使用的直流15V电源信号，电源信号经过开关电源换后再通过主控电路板的稳压源，实现对整个装置所有模块的供电；显示模块，包括液晶屏和外围辅助电路构成，根据用户的需要，通过主控模块编译显示屏的通信协议和功能选择界面，液晶显示屏显示用户选择的数据和图形；最小二乘法和插值拟合结合的方法进行计算的具体过程如下：首先根据采集到的信号数据，选择合适的拟合计算函数，构造函数如公式(1)所示：公式(1)中，是模拟被测信号的目标函数，a₀……a_n是根据被测信号类型代入函数的常量，x……xⁿ是模拟被测信号的自变量函数；根据第n+1个的插值方程：其中，i＝0,1,2…n，可求出第n+1个待定系数a_i(i＝0,1…n)，设函数y＝f(x)，x∈[a,b]，已知在n+1个互异节点x_k的值f(x_k)＝y_k(k＝0,1…,n)，则设n次插值多项式为L_n(x)，使L_n(x)满足公式(2)所示：L_n(x_k)＝y_k(k＝0,1,2…n)    (2)公式(2)中，L_n(x_k)是模拟被测信号的目标函数的变量函数，用于对目标函数进行计算，y_k是L_n(x_k)函数的自变量函数；如果n次多项式l_k(x)(k＝0,1..n)满足公式2，公式(3)中，l_k(x_i)是模拟被测信号的目标函数进行拟合计算的过程函数；由公式(3)得l_k(x)的n个零点必为x_i，i＝0,1,2...n；i≠k；设l_k(x)＝A_k(x‑x₀)(x‑x₁)...(x‑x_k‑1)(x‑x_k+1)...(x‑x_n)，当l_k(x_k)＝1时，带入l_k(x)的值得A_k＝1/(x_k‑x₀)...(x_k‑x_k‑1)(x_k‑x_k+1)...(x_k‑x_n)，此时得到l_k(x)为：公式(4)中，x……xⁿ是l_k(x_i)的自变量函数；根据公式(4)，L_k(x)被称为n次从插值的基函数，利用插值基函数表达式，将n次插值多项式L_n(x)表示为：公式(5)中，L_n(x)就是拉格朗日插值多项式；当n分别等于1和2时，即f(x_k)＝y_k(k＝1,2)时，L_n(x)变换为公式(6)和公式(7)：公式(6)和(7)中，L₁(x)、L₂(x)是拉格朗日插值多项式中，当数字n分别取值为1和2时的具体值，此时，L₁(x)，L₂(x)分别称为一次线性插值多项式和二次插值多项式；当电源信号采集提取装置采集到信号后，首先利用式(6)和式(7)对采样点进行插值拟合计算；采样点进行插值拟合之后，再对插值计算结果进行最小二乘线性拟合，从而求得更能表征求实际信号样式的结果；基本线性拟合曲线方程为y(x)＝a+bx，当y＝0时，求得采样正向过零点x的坐标为x＝‑(a/b)；设采样点的坐标为(x_i,y_i)(i＝0,1,2,…N)，根据线性拟合插值计算方法，单个采样点与拟合曲线的偏差如公式(8)所示：y(x_i)‑y_i＝a+bx_i‑y_i    (8)公式(8)中，下标i是具体的采样点，将采样点带入基本线性曲线方程计算；求出偏差的平方之和如公式(9)所示：公式(9)中，F(a,b)是采样点带入偏差平方和后得到的拟合值，属于过程函数结果；根据最小二乘法的基本原理，取合适的a,b的取值，从而使得F(a,b)的值最小，求最小值的公式如式(10)所示：公式(10)中，a，b都是计算过程中的常数取值；解公式(10)得：公式(11)中，Δ为采样拟合的过程结果，N为计算的采样点；a为线性拟合后截距的取值；b为线性拟合后斜率的取值。