基于LPC2103的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

摘 要： 基于電機拖動的液壓動力系統(tǒng)中，電機的三相電信號是能夠全面反映設備運行狀態(tài)的信息源，而獲得準確、可靠的三相電信號是進行液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等后續(xù)各項研究的基礎。根據(jù)應用需求，開發(fā)了以LPC2103為核心的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器準確、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合，增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開發(fā)過程。

關鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； LPC2103； 異步電機； 液壓動力系統(tǒng)

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0160?04

0 引 言

基于三相異步電機驅動的液壓設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。各種能夠反應此類設備運轉狀態(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(wěn)定、不易受干擾的特點。因此，根據(jù)應用的需要，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)，完成對液壓設備運行中三相電信號實時準確的采集、存儲等功能，對實現(xiàn)基于電機驅動的液壓設備狀態(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)應用的設計需求，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)的準確度；

（3）低功耗、高性價比。

LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振組成，之后將通過內部PLL，4倍頻提供給芯片內部工作時鐘。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硬件設計。

1.2.1 三相電壓獲取

驅動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LPC2103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，在實現(xiàn)準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實現(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。

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。為達到準確的測量結果，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：

（1）當輸入信號Ui>5 V時，U3C的輸出為負飽和電壓，此時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，U3B的輸出為低電平飽和電壓，此時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，且信號不會失真。

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內置的10位A/D，將經(jīng)過調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)的設計要求，本設計開發(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內部擁有串行外設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。控制器的GPIO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。

3 測試結果

本設計的上位機數(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)轉換至[-5 V，5 V]之間進行顯示。圖中，通過標定換算，數(shù)據(jù)采集的結果是準確有效的。

因此，本文開發(fā)的基于LPC2103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。

參考文獻

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