LPC2103的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 LPC2103的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 本方案以LPC2103為設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)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(hào)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用SD卡存儲(chǔ)方式和串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)存儲(chǔ)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(cè)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(yàn)證了方案中所設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)殚_展基于電機(jī)拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺(tái)。 0 引言 基于三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備憑借其運(yùn)行中的諸多優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，針對(duì)液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的

2、運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的特征信號(hào)中，電機(jī)的三相電信號(hào)能夠充分的反應(yīng)其液壓故障和電機(jī)故障,且三相電信號(hào)具有穩(wěn)定、不易受干擾的特點(diǎn)。因此，根據(jù)應(yīng)用的需要，開發(fā)具有高便攜性和實(shí)用性的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)液壓設(shè)備運(yùn)行中三相電信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集、存儲(chǔ)等功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hào)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(hào)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(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)采集

3、系統(tǒng)的部分。根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，在選擇主控芯片時(shí)，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(kuò)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(yùn)算速率，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度； （3）低功耗、高性價(jià)比。 綜合上述問題本設(shè)計(jì)選擇以LPC2103為主控芯片，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倍頻提供應(yīng)芯片內(nèi)部工作時(shí)鐘。CX3,CX4和Y2為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振部分. 1.2 信號(hào)獲取單元 本設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)，信號(hào)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(hào)的特點(diǎn)開展了相關(guān)硬件設(shè)計(jì)。 1.2

4、.1 三相電壓獲取 驅(qū)動(dòng)液壓設(shè)備的三相異步電機(jī)的其額定工作電壓大都為380 V,而本設(shè)計(jì)采用的AD 芯片為L(zhǎng)PC2103 內(nèi)置的10 位A/D 模塊，它要求輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為03.3 V.因此，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的前提下，考慮到使用的方便，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)周期和經(jīng)濟(jì)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(duì)被采集電壓開展分壓，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 k , 計(jì)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 =

5、1 k , 計(jì)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(shí)RV1 上的電壓為05 V,由運(yùn)放U2C,U2D 組成了整流模塊，將電壓轉(zhuǎn)換成03.3 V.由于使用集成運(yùn)放搭建信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻Rin 和反應(yīng)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 k ,R6 = 5.1 k ,為了保證調(diào)理電路準(zhǔn)確將+5 V信號(hào)調(diào)整至3.3 V,反相比例電路的反應(yīng)電阻R8 = 10 k ,輸入電阻R7采用電位器實(shí)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

6、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(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。為到達(dá)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，霍爾傳感器的參數(shù)選擇根據(jù)被測(cè)電機(jī)的額定電流來開展。其中：由于電機(jī)在啟動(dòng)瞬間其沖擊電流是額定電流的57倍，測(cè)試說明，沖擊電流的時(shí)間將維持十幾ms,考慮到保護(hù)后續(xù)測(cè)量電路的安全，設(shè)計(jì)了限幅電路，保證測(cè)量信號(hào)始終在5 V范圍內(nèi)。電流獲取電路如圖4所示。 與電壓測(cè)量相同，采用電壓跟隨電路以減小信號(hào)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(hào)Ui 處于范圍內(nèi)，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時(shí)D1,

7、D2均截止，輸出信號(hào)Uo=Ui.當(dāng)輸入信號(hào)Ui不在范圍內(nèi)時(shí)： （1）當(dāng)輸入信號(hào)Ui5 V 時(shí)，U3C 的輸出為負(fù)飽和電壓，此時(shí)D1導(dǎo)通，U3C成為跟隨電路，輸出信號(hào)Uo=5 V. （2）同理，當(dāng)輸入信號(hào)Ui-5 V時(shí)，U3B的輸出為低電平飽和電壓，此時(shí)D2導(dǎo)通，U3B 成為跟隨電路，輸出信號(hào)Uo=-5 V.由此，限幅電路將輸入信號(hào)限制在了范圍內(nèi)，且信號(hào)不會(huì)失真。 與電壓獲取電路相似，在限幅電路后將信號(hào)開展整流處理，之后將送入處理器的A/D采樣環(huán)節(jié)。 1.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)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(hào)提供應(yīng)其A/D引腳即可。 根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

8、的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將在不方便與上位機(jī)通信的情況下，能夠在下位機(jī)中保存大量的實(shí)時(shí)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)存放器為32位存放器，為節(jié)省數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間和提高采樣頻率，每次采樣的結(jié)果保存低16位，即每個(gè)采樣點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間采集下的較大數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的高傳輸率，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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,由于LPC2103內(nèi)部擁有串行外設(shè)SPI總線，

9、且使用SPI總線時(shí)能夠節(jié)省主控制器的I/O 資源，因此本設(shè)計(jì)采用SPI接口方式實(shí)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(jī)，SD 卡為從機(jī)，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(shí)鐘信號(hào)線SCK0 連接SD 卡SCK 引腳，保證主從設(shè)備間的時(shí)鐘同步；控制器的主機(jī)輸出從機(jī)輸入線MOSI連接SD卡的數(shù)據(jù)輸入；控制器的主機(jī)輸入從機(jī)輸出線MISO 連接SD 卡的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)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(yùn)行模式。運(yùn)行模式1,系統(tǒng)采集三相電信號(hào)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)；運(yùn)行模式2,

10、系統(tǒng)采集三相電信號(hào)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存至SD 卡，不與上位機(jī)開展通信。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(duì)SD卡的操作按照其數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(shí)，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(jì)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

11、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(huì)使得SD卡無法被電腦識(shí)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(jì)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(shí)序。 3 測(cè)試結(jié)果 本設(shè)計(jì)的上位機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)試軟件在LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)，針對(duì)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)和保存在SD 卡中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)開展不同的開發(fā)，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)測(cè)試軟件將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至之間開展顯示。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(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)殚_展基于電機(jī)拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺(tái)。 4 結(jié)論 本文提出了基于LPC2103 的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。方案以LPC2103為設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器