基于LPC2103的三相電信號數據采集系統

　　本方案以LPC2103為核心設計的三相電信號數據采集系統，采用霍爾傳感器準確、安全的獲取電壓電流信號，數據的存儲采用SD卡存儲方式和串口發(fā)送數據至上位機存儲模式兩種法相結合，增加了數據采集系統的應用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)測試軟件的標定換算，數據采集的結果是準確并有效的，從而驗證了方案中所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進(jìn)行基于電機拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統運行狀態(tài)監測研究奠定良好的數據平臺。

　　0 引言

　　基于三相異步電機驅動(dòng)的液壓設備憑借其運行中的諸多優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應用，針對液壓系統安全穩定的運行而開(kāi)展的研究也越來(lái)越多。各種能夠反應此類(lèi)設備運轉狀態(tài)的特征信號中，電機的三相電信號能夠充分的反應其液壓故障和電機故障［1］，且三相電信號具有穩定、不易受干擾的特點(diǎn)。因此，根據應用的需要，開(kāi)發(fā)具有高便攜性和實(shí)用性的三相電信號數據采集系統，完成對液壓設備運行中三相電信號實(shí)時(shí)準確的采集、存儲等功能，對實(shí)現基于電機驅動(dòng)的液壓設備狀態(tài)監測以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。

　　1 系統的硬件開(kāi)發(fā)

　　根據三相電信號數據采集系統的應用環(huán)境，本文開(kāi)發(fā)的數采系統硬件部分由模擬信號獲取、調理單元，數據采集與處理單元和數據存儲數據通信四大模塊組成。系統的原理如圖1所示。

　　1.1 主控芯片單元

　　主控芯片是整個(gè)數據采集系統的核心部分。根據應用的設計需求，在選擇主控芯片時(shí)，主要有以下方面：

　?。?）體積小且具有豐富的內部資源，以減少外部擴展，減小數據采集系統硬件模塊的體積；

　?。?）具有較高的運算速率，提高實(shí)時(shí)數據的準確度；

　?。?）低功耗、高性?xún)r(jià)比。

　　綜合上述問(wèn)題本設計選擇以LPC2103為主控芯片，最小系統如圖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(guò)內部PLL，4倍頻提供給芯片內部工作時(shí)鐘。CX3，CX4和Y2為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振部分［2-3］。

　　1.2 信號獲取單元

　　本設計開(kāi)發(fā)的數采系統，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據這兩種信號的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)硬件設計。

　　1.2.1 三相電壓獲取

　　驅動(dòng)液壓設備的三相異步電機的其額定工作電壓大都為380 V，而本設計采用的AD 芯片為L(cháng)PC2103 內置的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(shí)現準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實(shí)現周期和經(jīng)濟等問(wèn)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(jìn)行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問(wèn)題，應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(shí)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(mǎn)足使用要求。

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

　　綜上，相關(guān)電阻選擇為：R3 = R4 =R5 = 20 kΩ ，R6 = 5.1 kΩ ，為了保證調理電路準確將+5 V信號調整至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(shí)現。

　　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

　　由于數據采集系統的使用前提是不影響設備的正常工作，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(shí)現非接觸式測量。為達到準確的測量結果，霍爾傳感器的參數選擇根據被測電機的額定電流來(lái)進(jìn)行。其中：由于電機在啟動(dòng)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(shí)間將維持十幾ms，考慮到保護后續測量電路的安全，設計了限幅電路，保證測量信號始終在±5 V范圍內。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。當輸入信號Ui 處于［-5 V，5 V］范圍內，U3B，U3C的輸出均為正飽和電壓，此時(shí)D1，D2均截止，輸出信號Uo=Ui.當輸入信號Ui不在［-5 V，5 V］范圍內時(shí)：

　?。?）當輸入信號Ui>5 V 時(shí)，U3C 的輸出為負飽和電壓，此時(shí)D1導通，U3C成為跟隨電路，輸出信號Uo=5 V.

　?。?）同理，當輸入信號Ui-5 V時(shí)，U3B的輸出為低電平飽和電壓，此時(shí)D2導通，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，且信號不會(huì )失真。

　　與電壓獲取電路相似，在限幅電路后將信號進(jìn)行整流處理，之后將送入核心處理器的A/D采樣環(huán)節。

　　1.3 數據采集與存儲模塊

　　數據采集的部分采用了LPC2103內置的10位A/D，將經(jīng)過(guò)調理的三相電信號提供給其A/D引腳即可。

　　根據數據采集系統的設計要求，本設計開(kāi)發(fā)的數據采集系統，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(shí)時(shí)數據。由于采集模塊采用了LPC2103內置的10位A/D，其A/D數據寄存器為32位寄存器，為節省數據運算時(shí)間和提高采樣頻率，每次采樣的結果保留低16位，即每個(gè)采樣點(diǎn)的數據為16 b=2 B.系統將采樣頻率設置為1 024 Hz，在這樣的采樣頻率下，8 通道1 s采集的數據量：1 024 × 8 × 2 B = 16 KB ，考慮到長(cháng)時(shí)間采集下的較大數據量和數據存儲時(shí)的高傳輸率，數據的存儲使用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內部擁有串行外設SPI總線(xiàn)，且使用SPI總線(xiàn)時(shí)能夠節省主控制器的I/O 資源，因此本設計采用SPI接口方式實(shí)現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模式下完成數據傳輸?？刂破鞯腉PIO 端口P0.9連接SD 卡片選線(xiàn)SD_CS;主控制器時(shí)鐘信號線(xiàn)SCK0 連接SD 卡SCK 引腳，保證主從設備間的時(shí)鐘同步；控制器的主機輸出從機輸入線(xiàn)MOSI連接SD卡的數據輸入；控制器的主機輸入從機輸出線(xiàn)MISO 連接SD 卡的數據輸出信號線(xiàn)。

　　2 系統軟件開(kāi)發(fā)

　　用戶(hù)通過(guò)按鍵選擇數據采集系統運行模式。運行模式1，系統采集三相電信號，并將實(shí)時(shí)數據通過(guò)串口發(fā)送至上位機；運行模式2，系統采集三相電信號，并將實(shí)時(shí)數據保存至SD 卡，不與上位機進(jìn)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(shí)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卡的操作按照其數據手冊，通過(guò)主控制器發(fā)送給SD 卡相應的命令來(lái)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(shí)，高位字節在前，低位字節在后。操作流程如圖7所示。

　　本設計使用了文件系統為FAT16 類(lèi)型的SD 卡。FAT16 文件系統的系統分區由引導扇區、FAT 表、FDT表和文件數據區四大部分組成，數據的讀/寫(xiě)均以扇區為單位。由于SD 卡系統分區的前三部分是十分重要的，一般不能將數據寫(xiě)入這三部分所在的扇區內，否則會(huì )使得SD卡無(wú)法被電腦識別，因此在向SD卡寫(xiě)入數據前，首先需找到引導扇區的位置，并根據其中的內容計算FAT、FDT 以及數據簇的起始地址和大小。為節省LPC2103 的內存，設置SD 卡寫(xiě)數據為單塊寫(xiě)模式。寫(xiě)SD同樣要遵循SD卡寫(xiě)塊時(shí)序。

　　3 測試結果

　　本設計的上位機數據測試軟件在LabVIEW 環(huán)境下開(kāi)發(fā)，針對串口發(fā)送的數據和保存在SD 卡中的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行不同的開(kāi)發(fā)，其數據結果如圖8所示。數據測試軟件將串口發(fā)送的數據轉換至［-5 V，5 V］之間進(jìn)行顯示。圖中，通過(guò)標定換算，數據采集的結果是準確有效的。

　　因此，方案所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進(jìn)行基于電機拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統運行狀態(tài)監測研究奠定良好的數據平臺。

　　4 結論

　　本文提出了基于LPC2103 的三相電信號數據采集系統的設計方案。方案以L(fǎng)PC2103為核心設計的三相電信號數據采集系統，采用霍爾傳感器準確、安全的獲取電壓電流信號，數據的存儲采用SD卡存儲方式和串口發(fā)送數據至上位機存儲模式兩種法相結合，增加了數據采集系統的應用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)測試軟件的標定換算，數據采集的結果是準確并有效的，從而驗證了方案中所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進(jìn)行基于電機拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統運行狀態(tài)監測研究奠定良好的數據平臺。