一种基于工业实时总线的微弱热电偶信号在线采集与清洗方法与系统与流程

本发明涉及先进制造数据采集与信号处理，具体是一种基于工业实时总线的微弱热电偶信号在线采集与清洗方法与系统。

背景技术：

1、传统的工业加工温度采集系统通常采用非实时多任务操作系统搭配显式异步输入输出读写模式进行数据捕获。然而，在面对非晶合金微孔钻削等高频瞬态温升场景时，现有技术存在以下严重缺陷：

2、1.时序非确定性与死锁隐患。常规系统网络驱动以及后台非实时任务容易无序抢占中央处理器时间片，导致采集总线发生周期性帧丢失故障。这会导致底层路由器缓冲区发生溢出，进而挂起外部通信端口，在应用层引发主线程时序死锁，无法保证高平稳性的数据采集。

3、2.高频磁盘输入输出抢占崩溃。在连续、高频记录数据时，常规文件写入函数大吞吐量的磁盘操作会直接阻塞或抢占控制线程的实时时间片，极易引发内核违例崩溃故障。

4、3.传感器底层量化毛刺噪声。受限于前端模数转换芯片的底少量化分辨率限制，热电偶采集到的原始信号在时域上呈现出非连续的阶梯状断层，并伴随严重的电磁毛刺，无法为数字孪生或高阶评估模型提供高置信度的连续输入。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于工业实时总线的微弱热电偶信号在线采集与清洗方法与系统，在封闭微孔钻削等高频热力耦合加工中，本发明基于确定性实时总线与状态机调度，对微弱热电偶温度信号在线高保真采集与清洗，保证时序确定，消除死锁隐患，内核运行温度，消除毛刺和噪声。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于工业实时总线的微弱热电偶信号在线采集与清洗方法，包括以下步骤：

3、步骤a：通过确定性实时网卡驱动接管宿主机网卡，将工业总线的数据链路层直接挂载至宿主机实时内核，并利用总线分布式拓扑连接前端高精度热电偶采集模块；

4、步骤b：将高精度热电偶采集模块输出的毫伏级模拟信号量化转化为高频符号流，并输送至过程映像区物理内存大本营；

5、步骤c：对位于过程映像区物理内存大本营内的高频符号流进行周期性提取与清洗，生成高保真连续浮点数特征流，并发送至上位机数字孪生演化模型。

6、步骤b包括：利用工业总线作为物理传输介质，实现高频符号流的高速确定性对齐传输。

7、步骤b包括：利用底层映射对高频符号流进行字节对齐处理，直接无缝桥接至宿主机通信内核的过程映像区物理内存大本营。

8、步骤c中周期性提取是利用确定性采集主程序完成的；在确定性采集主程序中，引入基于物理时钟的高频生命心跳计数器变量，强行提升内核任务调度槽的上下文描述符优先级，激活外部通信端口；在确定性采集主程序中，引入有限状态机流式非阻塞写盘控制机制，将写盘操作切分为采样、请求句柄、缓冲区追加、释放句柄四个时序解耦的非阻塞单步片段。

9、有限状态机流式非阻塞写盘控制机制包括以下步骤：

10、状态0，确定性周期采样与流式拼接：

11、在实时钟驱动下执行确定性周期采样，将高精度相对时间戳、原始数字温度采样数据流以及经滤波清洗后的连续浮点温度特征流拼接为csv字符串行；

12、状态1，异步文件句柄非阻塞挂起请求：

13、向操作系统底层文件服务发起异步文件句柄打开请求，随后，内核并不阻塞等待，而是周期性轮询其伴生的忙标志位bbusy是否为false，若忙标志位bbusy为true，则状态机选择“否”分支，直接退出当前执行周期并复位，等待下一个内核周期再次检查，从而确保主程序实时性；若忙标志bbusy变为false，则选择“是”分支，确认句柄获取成功，推进至状态2；

14、状态2，流式非阻塞文件追加写盘：

15、调用异步写盘模块，将拼接好的csv字符串行流式非阻塞追加刷入磁盘物理缓冲区；

16、状态3，安全释放与死锁防御复位：

17、写盘完成后，状态机强行驱动模块安全释放系统文件句柄，解除文件的物理独占锁，随后状态机跳转回状态0，完美闭环，静待下一个采样点的数据到来。

18、步骤c中清洗是利用离散化一阶低通数字滤波器模型完成的。

19、清洗步骤包括：

20、获取当前时刻的温度采样值作为模型的输入信号x（n），为输入信号x（n）赋予前向增益系数α；

21、获取上一时刻的输出信号y（n-1），为输出信号y（n-1）赋予前向增益系数1-α；

22、根据公式y(n) = α × x(n) + (1 - α) × y(n-1)计算当前时刻的输出信号y（n）。

23、一种基于工业实时总线的微弱热电偶信号在线采集与清洗系统，包括：

24、物理实体层，包括高精度热电偶采集模块；

25、分布式网络层，包括a/d采集模块、工业总线、底层映射模块，所述a/d采集模块用于将高精度热电偶采集模块输出的毫伏级模拟信号量化转化为高频符号流，所述工业总线用于输送高频符号流，所述底层映射模块用于对高频符号流进行字节对齐处理从而直接无缝桥接至宿主机通信内核的过程映像区物理内存大本营；

26、系统软件层，包括确定性采集主程序、过程映像区物理内存大本营，所述确定性采集主程序内置高频生命心跳计数器变量以及有限状态机流式非阻塞写盘控制机制，用于对位于过程映像区物理内存大本营内的高频符号流进行周期性提取；所述过程映像区物理内存大本营内置离散化一阶低通数字滤波器模型，用于对高频符号流进行周期性清洗。

27、所述离散化一阶低通数字滤波器模型包括：

28、第一获取模块，用于获取当前时刻的输入信号x（n）、当前时刻的输出信号y（n）；

29、第一反馈系数单元，用于为输入信号x（n）赋予前向增益系数α；

30、延迟单元，用于锁存输出信号y（n），并提取上一时刻的输出信号y（n-1）；

31、第二反馈系数单元，用于为输出信号y（n-1）赋予前向增益系数1-α；

32、计算模块，用于根据公式y(n) = α × x(n) + (1 - α) × y(n-1)计算当前时刻的输出信号y（n）。

33、综上所述，本发明取得了以下技术效果：

34、本发明采用确定性实时网卡驱动替换传统的网络驱动接口规范驱动，将工业总线的数据链路层直接挂载于实时内核。通过在主程序中引入物理生命心跳计数器，打破缺省空闲任务的死锁限制，消解帧丢失，保障数据传输稳定性；

35、本发明利用带有物理输入地址属性的占位符关键字显式声明符号，通过底层内存映射机制将热电偶硬件寄存器空间与内核变量进行字节对齐式的同步硬映射，实现微秒级的极低延迟实时数据传输；

36、本发明设计有限状态机，将数据落盘的完整生命周期切分为确定性采样、句柄异步请求、流式非阻塞追加、安全释放与死锁防御四个在时序上完全解耦的独立任务片段，彻底杜绝写盘延迟卡死主线程的隐患；

37、本发明在计算内核中嵌入离散化一阶低通数字滤波器递推模型，消除量化断层与电磁共模毛刺，将离散信号重构为高置信度的连续浮点数特征流，大幅提升实时同步稳定性。