基于LPC2103的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

0 引言

基于三相異步電機驅(qū)動的液壓設(shè)備憑借其運行中的諸多優(yōu)點在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用，針對液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行而開展的研究也越來越多。各種能夠反應(yīng)此類設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)的特征信號中，電機的三相電信號能夠充分的反應(yīng)其液壓故障和電機故障[1],且三相電信號具有穩(wěn)定、不易受干擾的特點。因此，根據(jù)應(yīng)用的需要，開發(fā)具有高便攜性和實用性的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對液壓設(shè)備運行中三相電信號實時準(zhǔn)確的采集、存儲等功能，對實現(xiàn)基于電機驅(qū)動的液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。

1 系統(tǒng)的硬件開發(fā)

根據(jù)三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本文開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)硬件部分由模擬信號獲取、調(diào)理單元，數(shù)據(jù)采集與處理單元和數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)通信四大模塊組成。系統(tǒng)的原理如圖1所示。

1.1 主控芯片單元

主控芯片是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計需求，在選擇主控芯片時，主要有以下方面：

(1)體積小且具有豐富的內(nèi)部資源，以減少外部擴展，減小數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊的體積;

(2)具有較高的運算速率，提高實時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度;

(3)低功耗、高性價比。

綜合上述問題本設(shè)計選擇以LPC2103為主控芯片，最小系統(tǒng)如圖2所示。

LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振組成，之后將通過內(nèi)部PLL,4倍頻提供給芯片內(nèi)部工作時鐘。CX3,CX4和Y2為實時時鐘晶振部分[2?3].

1.2 信號獲取單元

本設(shè)計開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據(jù)這兩種信號的特點進行了相關(guān)硬件設(shè)計。

1.2.1 三相電壓獲取

驅(qū)動液壓設(shè)備的三相異步電機的其額定工作電壓大都為380 V,而本設(shè)計采用的AD 芯片為LPC2103 內(nèi)置的10 位A/D 模塊，它要求輸入模擬信號的電壓范圍為0~3.3 V.因此，在實現(xiàn)準(zhǔn)確測量的前提下，考慮到使用的方便，設(shè)計的實現(xiàn)周期和經(jīng)濟等問題，三相電壓的獲取采用了電阻分壓式，原理圖如圖3所示。

由RV1 ,Rin1 組成分壓電路，對被采集電壓進行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應(yīng)用中兩分壓電阻其阻值如下：

RIN1 = 75 kΩ , 計算功率為：

PRIN1= 1.87 W ,實際中將選擇PRIN1= 1.5 × 1.87 W ≈ 3 W 的分壓電阻;RV1 = 1 kΩ , 計算功率為：

PRV1= 25 mW ,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。

此時RV1 上的電壓為0~5 V,由運放U2C,U2D 組成了整流模塊，將電壓轉(zhuǎn)換成0~3.3 V.由于使用集成運放搭建信號運算電路時，運放的輸入電阻Rin 和反饋電阻Rf的阻值選擇應(yīng)遵循的原則是：

綜上，相關(guān)電阻選擇為：R3 = R4 =R5 = 20 kΩ ,R6 = 5.1 kΩ ,為了保證調(diào)理電路準(zhǔn)確將+5 V信號調(diào)整至3.3 V,反相比例電路的反饋電阻R8 = 10 kΩ ,輸入電阻R7采用電位器實現(xiàn)。

由U2A組成電壓跟隨電路橋接分壓電路和整流電路兩部分，使其相互之間互不影響。

1.2.2 三相電流獲取方式

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用前提是不影響設(shè)備的正常工作，因此三相電流的獲取方式采用穿孔式霍爾電流傳感器以實現(xiàn)非接觸式測量。為達到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，霍爾傳感器的參數(shù)選擇根據(jù)被測電機的額定電流來進行。其中：由于電機在啟動瞬間其沖擊電流是額定電流的5~7倍，測試表明，沖擊電流的時間將維持十幾ms,考慮到保護后續(xù)測量電路的安全，設(shè)計了限幅電路，保證測量信號始終在±5 V范圍內(nèi)。電流獲取電路如圖4所示。

與電壓測量相同，采用電壓跟隨電路以減小信號的衰減和損耗。限幅電路由RC1,U3B,U3C和二極管D1,D2組成，其中RC1 為限流電阻。當(dāng)輸入信號Ui 處于[-5 V,5 V]范圍內(nèi)，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時D1,D2均截止，輸出信號Uo=Ui.當(dāng)輸入信號Ui不在[-5 V,5 V]范圍內(nèi)時：

(1)當(dāng)輸入信號Ui>5 V 時，U3C 的輸出為負(fù)飽和電壓，此時D1導(dǎo)通，U3C成為跟隨電路，輸出信號Uo=5 V.

(2)同理，當(dāng)輸入信號Ui<-5 V時，U3B的輸出為低電平飽和電壓，此時D2導(dǎo)通，U3B 成為跟隨電路，輸出信號Uo=-5 V.由此，限幅電路將輸入信號限制在了[-5 V ,5 V]范圍內(nèi)，且信號不會失真。

與電壓獲取電路相似，在限幅電路后將信號進行整流處理，之后將送入核心處理器的A/D采樣環(huán)節(jié)。[!--empirenews.page--]

1.3 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

數(shù)據(jù)采集的部分采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,將經(jīng)過調(diào)理的三相電信號提供給其A/D引腳即可。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，本設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將在不方便與上位機通信的情況下，能夠在下位機中保存大量的實時數(shù)據(jù)。由于采集模塊采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,其A/D數(shù)據(jù)寄存器為32位寄存器，為節(jié)省數(shù)據(jù)運算時間和提高采樣頻率，每次采樣的結(jié)果保留低16位，即每個采樣點的數(shù)據(jù)為16 b=2 B.系統(tǒng)將采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz,在這樣的采樣頻率下，8 通道1 s采集的數(shù)據(jù)量：1 024 × 8 × 2 B = 16 KB ,考慮到長時間采集下的較大數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲時的高傳輸率，數(shù)據(jù)的存儲使用SD卡完成。

SD卡與微控制器之間的通信有SD和SPI兩種接口模式[4],由于LPC2103內(nèi)部擁有串行外設(shè)SPI總線，且使用SPI總線時能夠節(jié)省主控制器的I/O 資源，因此本設(shè)計采用SPI接口方式實現(xiàn)SD卡與主控制器的通信，接口電路如圖5所示。

將LPC2103 配置為主機，SD 卡為從機，在SPI模式下完成數(shù)據(jù)傳輸?？刂破鞯腉PIO 端口P0.9連接SD 卡片選線SD_CS;主控制器時鐘信號線SCK0 連接SD 卡SCK 引腳，保證主從設(shè)備間的時鐘同步;控制器的主機輸出從機輸入線MOSI連接SD卡的數(shù)據(jù)輸入;控制器的主機輸入從機輸出線MISO 連接SD 卡的數(shù)據(jù)輸出信號線。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

用戶通過按鍵選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行模式。運行模式1,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機;運行模式2,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)保存至SD 卡，不與上位機進行通信。主程序流程圖如圖6所示。

程序的初始化主要包括：GPIO端口、定時器模塊、A/D 模塊、SPI接口單元、UART接口單元、SD卡等6大模塊。對SD卡的操作按照其數(shù)據(jù)手冊，通過主控制器發(fā)送給SD 卡相應(yīng)的命令來完成。SPI模式下，SD卡的指令由6 B組成，主控制器向SD卡發(fā)送指令時，高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后。操作流程如圖7所示。

本設(shè)計使用了文件系統(tǒng)為FAT16 類型的SD 卡。FAT16 文件系統(tǒng)的系統(tǒng)分區(qū)由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT 表、FDT表和文件數(shù)據(jù)區(qū)四大部分組成，數(shù)據(jù)的讀/寫均以扇區(qū)為單位。由于SD 卡系統(tǒng)分區(qū)的前三部分是十分重要的，一般不能將數(shù)據(jù)寫入這三部分所在的扇區(qū)內(nèi)，否則會使得SD卡無法被電腦識別，因此在向SD卡寫入數(shù)據(jù)前，首先需找到引導(dǎo)扇區(qū)的位置，并根據(jù)其中的內(nèi)容計算FAT、FDT 以及數(shù)據(jù)簇的起始地址和大小。為節(jié)省LPC2103 的內(nèi)存，設(shè)置SD 卡寫數(shù)據(jù)為單塊寫模式。寫SD同樣要遵循SD卡寫塊時序。

3 測試結(jié)果

本設(shè)計的上位機數(shù)據(jù)測試軟件在LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)，針對串口發(fā)送的數(shù)據(jù)和保存在SD 卡中的實時數(shù)據(jù)進行不同的開發(fā)，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)測試軟件將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至[-5 V,5 V]之間進行顯示。圖中，通過標(biāo)定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。

因此，方案所設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺。

4 結(jié)論

本文提出了基于LPC2103 的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。方案以LPC2103為核心設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器準(zhǔn)確、安全的獲取電壓電流信號，數(shù)據(jù)的存儲采用SD卡存儲方式和串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機存儲模式兩種法相結(jié)合，增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，并給出了詳細(xì)的軟、硬件開發(fā)過程。通過測試軟件的標(biāo)定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準(zhǔn)確并有效的，從而驗證了方案中所設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺。