基于ARM嵌入式系統的電機多路信號監測及數據采集

黃元元

（閩江學院 物理與電子信息工程學院，福建 福州 350007）

0 引 言

異步電機作為一種可靠的動力輸出裝置，在實際生活工作中取得了良好的應用效果。通過分析影響電機運行的環境因素發現，潮濕的環境會極大程度上增加電機設備內部線路出現異常的概率，不僅如此，一旦電機所在環境的粉塵濃度達到一定值，或者長期不進行粉塵處理，也會引發電機內部散熱效率降低等問題，增加電機燒損的風險[1-9]。一方面，其對于實際生產帶來的經濟損失是十分不必要的；另一方面，這種安全隱患也造成了工作人員財產安全威脅。

基于ARM嵌入式系統存在便攜小巧等多種優點，本文提出基于ARM嵌入式系統的電機多路信號監測及數據采集方法研究，并實現對電機運行狀態的全方位監測和準確采集[10]。通過本文的研究，以期為相關電機使用單位的設備監測和安全管控工作提供有價值的參考。

1 數據采集模塊構建

1.1 電壓信號采集模塊

對于電機電壓信號的采集，本文利用CH20EEH1135V高精度電壓傳感器作為模塊的主要裝置。CH20E-EH1135V為了實現高精度電壓數據采集的目的，在設計過程中充分利用了閉環磁通門原理，將被測電壓進行轉換處理，使之以與原邊電壓成比例的方式形成跟隨機制，以此為基礎輸出的電壓信號更加趨近于實際電機電壓信號結果。不僅如此，原副邊之間以高度絕緣的方式存在，這就使得CH20E-EH1135V對于電壓信號具有高靈敏度和線性度，運行的可靠性更高 。

在運行參數上，CH20E-EH1135V的額定電壓值按照電機的實際狀態分為500 V和1 000 V兩個檔位，可測量電壓范圍為±120%，輸出電流范圍為±50 mA，輸出電壓按照其檔位不同，分為±5 V和±10 V兩種。當運行環境溫度在0～70 ℃時，其數據采集精度可達到0.1%以上，當運行環境溫度在-40～85 ℃時，其數據采集精度也可達到0.3%以上，最大線性度誤差不超過0.05%。在CH20E-EH1135V運行過程中，額定電源電壓為±12 V～±15 V，環境溫度達到25 ℃以上時，失調電流不超過0.05 mA，失調電壓不超過5 mV，且對于電機中電壓信號的響應時間僅為1 μs。正常狀態下其耗電僅為35 mA，因此可以實現長期運行。此外，CH20E-EH1135V的負載電阻按照輸出類型設置也作出了差異化設置，電壓輸出型對應的負載電阻為5 000 Ω，電流輸出型對應的負載電阻為100 Ω，負載電容為5 nF，原邊阻抗約為 1.5 MΩ。在頻率為 50 Hz，時長為 1 min 的耐壓試驗中，其可承受的最大電壓信號為6.0 kV，因此可適用于大規模電機的電壓信號采集。

1.2 電流信號采集模塊

對于電機電流信號的采集，本文利用CH20SHC1224A高精度電流傳感器作為模塊的主要裝置，其可以實現對各種不同波形電流信號的采集，且具有較強的過載能力強，能夠實現對信號的速度捕捉，高線性度的特點也使其能夠在動態環境中實現穩定運行。CH20S-HC1224A的安裝應用盤式安裝的方式，通過4個6.5 mm孔實現對其的固定，原邊孔徑為矩形構造，大小為210 mm×100 mm，匹配的輸出端子為2EDGV-5.08-4P端子臺。CH20S-HC1224A的具體結構構成如圖1所示。

圖1 CH20S-HC1224A結構構成

在此基礎上，其可實現對各種額定電流值的采集， 包 括 5 000 A、10 000 A、20 000 A、50 000 A、60 000 A 以及 80 000 A，滿足了各種不同規格電機的監測需求，對應的測量電流范圍為±200%，最大值可以達到85 000 A。為了適應這種高強度的電流信號沖擊，其具有較強的過載能力，最大值為100 kA。在電流輸出模式下，可分為0～±25 mA、0～25 mA、0～50 mA等多個額定輸出電流檔位；在電壓輸出型模式下，可為0～±4 V、0～10 V等多個額定輸出電壓檔位，以此適應額定電流值。當運行環境溫度在-25～+85 ℃時，其數據采集精度可達到0.7%以上，線性度誤差可以達到0.2%以下；當運行環境溫度在-40～+85 ℃時，其數據采集精度可達到1.0%以上，線性度誤差可以達到0.5%以下。正常運行條件下，CH20S-HC1224A的電源電壓為額定輸出電壓設置值的±5%，環境溫度達到25 ℃以上時，零點失調電壓不超過30 mV，零點失調電流不超過80 μA。在溫度的影響下，輸出電壓溫度漂移為0.5 mV/℃，輸出電流溫度漂移為0.003 mA/℃，對于電機中電流信號的響應時間同樣僅為1.0 μs。本文利用其實現對電機電流信號的采集，以此確保數據的可靠性。

2 電機多路信號監控

2.1 采集數據傳輸

為了實現對電機運行信號的實時監控，需要將采集模塊的數據傳輸到監測中心。本文將ARM嵌入式系統作為監測中心，并建立了無線網絡連接機制實現傳感器與系統之間的連接關系，在ARM上位機接收來自基于傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP／IP）的傳感器采集數據。傳輸過程中，TCP／IP對傳感器接入網絡的方式作出定義，統一標準下確保數據傳輸的實時性。

本文在ARM嵌入式系統最底層媒體傳輸過程中采用RJ45和雙絞線構成的交互網絡，并將其作為數據傳輸的通道。網絡層主要負責提供聯通的服務，當某一節點也就是傳感器發送出數據后，網絡層將其從源節點送到目的節點（ARM上位機）。不僅如此，為了確保這種聯通機制的可靠性，在網絡層構建多種機制，如超時重傳機制，其設計原理就是發送某一數據的同時會開啟一個計時器，如果一定時間內沒有得到發送數據傳回的確認字符（Acknowledgement，ACK）報文，那么就會重新發送數據，一直到數據發送成功。再如，在網絡層還會構建發送和接收端到端機制，一般來說，一次數據通信的數據量可能很大，在互連網絡上進行數據傳輸時需要將一次數據傳輸拆分成多個報文，各個報文獨立地由發送結點傳輸到接收結點。ARM處理芯片接入TCP／IP協議，將所有的傳感器在芯片內部進行集成，形成TCP／IP協議棧，然后將復雜的TCP／IP協議簇通過邏輯門電路進行轉化，變成單一模式，連接RJ45軟件上的SPI接口。當需要對目標位置信號進行監測時，只需要將指令輸入到Socket編程中即可，通過這樣的方式，可實現對數據的有效傳輸。

2.2 采集數據分析

對于CH20E-EH1135V高精度電壓傳感器和CH20S-HC1224A高精度電流傳感器采集到的電機信號數據，本文利用ARM進行初步分類。

假設采集到的電壓信號數據為U={U1,U2,…,Un}，采集到的電流信號數據為A={A1,A2,…,An}，ARM處理器在接收到數據后，按照時間建立二者之間的匹配關系，其可以表示為：

式中，二者之間的對應關系構建標準為時間標簽一致。通過這樣的方式就可以將電流和電壓數據統一為一個整體。一般情況下，電機的電壓值與電流值之間的比值是固定的，利用這一特征，本文計算對應關系下數據是否異常，其計算方式為：

式中，R表示計算出的電機運行阻率。將該數值與電機的實際參數進行比較，考慮到運行負載以及環境因素的影響，本文以大于電機額定阻值±5.00%的數據結果作為判定異常的標準。-5.00%≤R≤5.00%時，將該數據劃分為正常數據；-5.00%≥R或R≥5.00%時，將該數據劃分為異常數據。通過這樣的方式實現對采集數據的分析。

3 電機監測應用實例與分析

3.1 實驗對象設置

本文展開測試的是一臺三相異步電機，額定功率為150 kW，運行時的額定頻率為50 Hz。測試過程中，在進行加載程度測試時使用的方法為陪試電機對拖法。在測試過程中，陪試電機展現了很高變頻變壓控制能力，具體數據結果如表1所示。

表1 被測電機對拖測試數據

以此為基礎，分別采用文獻[8]和文獻[9]提出的方法對電機進行監測，并統計其誤差。

3.2 測試結果

3種方法對電壓和電流數據的監測結果如圖2和圖3所示。

圖2 電壓監測誤差

圖3 電流監測誤差

通過觀察圖2和圖3可以看出，本文設計方法可以實現對電機運行數據的準確監測。當陪試電機運行功率為100.0 kW時，測試電機的電流出現了明顯異常，本文方法也均實現了對其的準確采集，表明本文設計方法在數據采集和監測方面具有良好的應用效果。

4 結 論

電機運行信號是反饋其運行狀態最直接的數據，對其進行準確監測對于設備維護、生產安全等都具有重要的現實意義。本文提出基于ARM嵌入式系統的電機多路信號監測及數據采集方法研究，實現了對電機電壓和電流信號的準確采集，并為監測工作提供了可靠基礎。在本文研究的基礎上，也希望為生產加工企業提供實際應用價值。