ARM處理器設計的電機電物理量采集系統

摘要：設計了一種基于ARM處理器和μC／OS II的嵌入式電機電物理量采集系統：該系統選用低噪聲低功耗芯片，對模擬電路進(jìn)行信號調理和高速采集；采用高性能工業(yè)級ARM微處理器(S3C2410一S)，結合軟件算法進(jìn)行實(shí)時(shí)數字信號處理．實(shí)驗結果表明該系統具有體積小、重量輕、功耗低、精度較高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，能有效的采集電機電流、電壓信號，進(jìn)而使上位機能更方便的進(jìn)行電機電物理量分析．

引言

自19世紀發(fā)明發(fā)電機和電動(dòng)機以來(lái)，由于電能應用方便，電動(dòng)機的性能優(yōu)良，便于控制，使用與操作簡(jiǎn)單，從而得到了迅速普及，應用范圍越來(lái)越廣．然而，由于電機運行機制復雜，長(cháng)期處于高速運轉和高電壓、強磁場(chǎng)環(huán)境之下，運行環(huán)境惡劣，要求電機設備不出故障是不現實(shí)的，絕對安全可靠的電機設備也是根本不存在的l1J．因此，我們只能從預防故障和減少損失的角度出發(fā)，及時(shí)發(fā)現電機的異常，掌握設備的運行狀態(tài)．對已經(jīng)形成的或正在形成的故障進(jìn)行分析診斷，判斷故障的部位和產(chǎn)生的原因，并及早采取有效的措施，防患于未然．這就需要我們能實(shí)時(shí)的精確的采集電機在運行中的各種物理量，進(jìn)而進(jìn)行有效的分析、判斷故障．傳統的數據采集系統多以8／16位單片機構成控制系統，其硬件電路較復雜，集成度較低，設計和調試難度較大，不太方便系統升級．傳統的前后臺式的軟件設計方法限制了硬件系統功能的充分發(fā)揮，影響了系統的實(shí)時(shí)性與穩定性．筆者從ARM9來(lái)人手，借鑒了一些新的測試方法，并應用ADS1．2設計出一套電機電物理量采集系統．

1 系統簡(jiǎn)介

本系統設計采集電機的電壓、電流2個(gè)物理量．其中電流3相都要采集．電物理量采集系統的設計關(guān)鍵在于A(yíng)／D轉換的環(huán)節．A／D轉換器是模擬信號源和CPU之間聯(lián)系的接口，它的任務(wù)是將連續變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機和數字系統進(jìn)行處理、存儲、控制和顯示．在工業(yè)控制和數據采集及許多其他領(lǐng)域中，A／D轉換是不可缺少的．A／D轉換器有以下類(lèi)型：逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型、電壓一頻率型．主要應根據使用場(chǎng)合的具體要求，按照轉換速度、精度、價(jià)格、功能以及接口條件等因素決定選擇何種類(lèi)型．本系統的ARM采用三星公司的S3C2410一S，其擁有8路10位A／D轉換器，最大轉換率為500 KPSO1．S3C2A-10一S的A／D轉換器能接受電壓范圍為0—3．3 V，但電機電信號是成正弦波的圖像分布的，超出了A／D轉換器能接受的電壓范圍．所以設計前端調理電路將電信號的正弦波整體向上抬高。使之范圍控制在0—3．3 V．然后將電信號輸出到A／D轉換器．最后經(jīng)CPU的處理將采集到的數據從串口傳送給計算機．進(jìn)計算機可以對電機物理量進(jìn)行相應的分析．

2 系統設計

2．1 硬件設計

該系統主要由前端調理電路、CPU集成電路和計算機組成．基本結構如圖1所示

其中由于S3C2410一S的A／D轉換器能接受電壓范圍為O~3．3 V，但電機電信號是成正弦波的圖像分布的．所以前端調理電路設計將電信號的正弦波負半軸對稱(chēng)折到x軸上方，使之范圍控制在0-3．3 V．產(chǎn)生波形如圖2所示．

同時(shí)電路里產(chǎn)生一個(gè)方波信號．當波形屬于被翻上去的部分時(shí)方波處于低電平，其他時(shí)候處于高電平．以此方波信號在上位機來(lái)還原波形．CPU集成電路包括直流穩壓電源電路、A／D電路、主CPU電路和串口電路．A／D電路接受從轉換電路送過(guò)來(lái)的模擬信號，然后轉換成ARMCPU能接受的數字信號．經(jīng)過(guò)處理后從串口電路傳送給上位計算機．

2．2 軟件設計

2．2．1 μC／OS II操作系統的移植

μC／OS II提供的僅僅是一個(gè)任務(wù)調度的內核，要想實(shí)現一個(gè)相對完整，實(shí)用的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，還需要相當多的擴展性的工作，主要包括：建立文件系統(本系統以Flash為存儲介質(zhì)，建立文件和目錄)、為外部設備建立驅動(dòng)程序并規范相應的API函數創(chuàng )建圖形用戶(hù)接口(GUI)函數、建立其他實(shí)用的應用程序接口(API)函數等．本系統中基于μC／OS II內核的RTOS軟件系統總體框圖如圖3所示．

2．2．2 應用程序的設計

該程序采用ADS1．2結合c語(yǔ)言來(lái)設計．首先是系統初始化，根據ARM芯片固有的功能和特征，進(jìn)行主程序的入口設置，所用寄存器清零，程序ROM區和數據RAM區的初始化，中斷矢量設置等主程序運行前的準備工作．以及檢查系統電源，監視芯片上電后的ARM芯片內的硬件運行情況．當ARM芯片運行正常后，進(jìn)人數據采集軟件的主程序運行．流程圖如圖4所示．