基于LPC2103的三相電信號數據采集系統的設計方案

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)：

(1)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.

(2)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