三相电信号数据采集系统的设计方案

引言

基于三相异步电机驱动的液压设备凭借其运行中的诸多优点在生产实践中得到广泛应用，针对液压系统安全稳定的运行而开展的研究也越来越多。各种能够反应此类设备运转状态的特征信号中，电机的三相电信号能够充分的反应其液压故障和电机故障[1],且三相电信号具有稳定、不易受干扰的特点。因此，根据应用的需要，开发具有高便携性和实用性的三相电信号数据采集系统，完成对液压设备运行中三相电信号实时准确的采集、存储等功能，对实现基于电机驱动的液压设备状态监测以及故障诊断等工作都是十分重要和有意义的。

1 系统的硬件开发

根据三相电信号数据采集系统的应用环境，本文开发的数采系统硬件部分由模拟信号获取、调理单元，数据采集与处理单元和数据存储数据通信四大模块组成。系统的原理如图1所示。



1.1 主控芯片单元

主控芯片是整个数据采集系统的核心部分。根据应用的设计需求，在选择主控芯片时，主要有以下方面：

(1)体积小且具有丰富的内部资源，以减少外部扩展，减小数据采集系统硬件模块的体积;
(2)具有较高的运算速率，提高实时数据的准确度;
(3)低功耗、高性价比。

综合上述问题本设计选择以LPC2103为主控芯片，最小系统如图2所示。



LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振组成，之后将通过内部PLL,4倍频提供给芯片内部工作时钟。CX3,CX4和Y2为实时时钟晶振部分[2-3].[page]

1.2 信号获取单元

本设计开发的数采系统，信号的获取包括三相电压和三相电流两部分，根据这两种信号的特点进行了相关硬件设计。

1.2.1 三相电压获取

驱动液压设备的三相异步电机的其额定工作电压大都为380V,而本设计采用的AD芯片为LPC2103内置的10位A/D模块，它要求输入模拟信号的电压范围为0~3.3V.因此，在实现准确测量的前提下，考虑到使用的方便，设计的实现周期和经济等问题，三相电压的获取采用了电阻分压式，原理图如图3所示。



由RV1,Rin1组成分压电路，对被采集电压进行分压，考虑到电阻的功率和电路板的体积等问题，应用中两分压电阻其阻值如下：RIN1=75kΩ,计算功率为：PRIN1=1.87W,实际中将选择PRIN1=1.5×1.87W≈3W的分压电阻;RV1=1kΩ,计算功率为：PRV1=25mW,因此选择普通电阻即可满足使用要求。

此时RV1上的电压为0~5V,由运放U2C,U2D组成了整流模块，将电压转换成0~3.3V.由于使用集成运放搭建信号运算电路时，运放的输入电阻Rin和反馈电阻Rf的阻值选择应遵循的原则是：



综上，相关电阻选择为：R3=R4=R5=20kΩ,R6=5.1kΩ,为了保证调理电路准确将+5V信号调整至3.3V,反相比例电路的反馈电阻R8=10kΩ,输入电阻R7采用电位器实现。

由U2A组成电压跟随电路桥接分压电路和整流电路两部分，使其相互之间互不影响。

1.2.2 三相电流获取方式

由于数据采集系统的使用前提是不影响设备的正常工作，因此三相电流的获取方式采用穿孔式霍尔电流传感器以实现非接触式测量。为达到准确的测量结果，霍尔传感器的参数选择根据被测电机的额定电流来进行。其中：由于电机在启动瞬间其冲击电流是额定电流的5~7倍，测试表明，冲击电流的时间将维持十几ms,考虑到保护后续测量电路的安全，设计了限幅电路，保证测量信号始终在±5V范围内。电流获取电路如图4所示。



与电压测量相同，采用电压跟随电路以减小信号的衰减和损耗。限幅电路由RC1,U3B,U3C和二极管D1,D2组成，其中RC1为限流电阻。当输入信号Ui处于[-5V,5V]范围内，U3B,U3C的输出均为正饱和电压，此时D1,D2均截止，输出信号Uo=Ui.当输入信号Ui不在[-5V,5V]范围内时：

(1)当输入信号Ui>5V时，U3C的输出为负饱和电压，此时D1导通，U3C成为跟随电路，输出信号Uo=5V.
(2)同理，当输入信号Ui

1.3 数据采集与存储模块

数据采集的部分采用了LPC2103内置的10位A/D,将经过调理的三相电信号提供给其A/D引脚即可。

根据数据采集系统的设计要求，本设计开发的数据采集系统，将在不方便与上位机通信的情况下，能够在下位机中保存大量的实时数据。由于采集模块采用了LPC2103内置的10位A/D,其A/D数据寄存器为32位寄存器，为节省数据运算时间和提高采样频率，每次采样的结果保留低16位，即每个采样点的数据为16b=2B.系统将采样频率设置为1024Hz,在这样的采样频率下，8通道1s采集的数据量：1024×8×2B=16KB,考虑到长时间采集下的较大数据量和数据存储时的高传输率，数据的存储使用SD卡完成。[page]
SD卡与微控制器之间的通信有SD和SPI两种接口模式[4],由于LPC2103内部拥有串行外设SPI总线，且使用SPI总线时能够节省主控制器的I/O资源，因此本设计采用SPI接口方式实现SD卡与主控制器的通信，接口电路如图5所示。



将LPC2103配置为主机，SD卡为从机，在SPI模式下完成数据传输。控制器的GPIO端口P0.9连接SD卡片选线SD_CS;主控制器时钟信号线SCK0连接SD卡SCK引脚，保证主从设备间的时钟同步;控制器的主机输出从机输入线MOSI连接SD卡的数据输入;控制器的主机输入从机输出线MISO连接SD卡的数据输出信号线。

2 系统软件开发

用户通过按键选择数据采集系统运行模式。运行模式1,系统采集三相电信号，并将实时数据通过串口发送至上位机;运行模式2,系统采集三相电信号，并将实时数据保存至SD卡，不与上位机进行通信。主程序流程图如图6所示。



程序的初始化主要包括：GPIO端口、定时器模块、A/D模块、SPI接口单元、UART接口单元、SD卡等6大模块。对SD卡的操作按照其数据手册，通过主控制器发送给SD卡相应的命令来完成。SPI模式下，SD卡的指令由6B组成，主控制器向SD卡发送指令时，高位字节在前，低位字节在后。操作流程如图7所示。



本设计使用了文件系统为FAT16类型的SD卡。FAT16文件系统的系统分区由引导扇区、FAT表、FDT表和文件数据区四大部分组成，数据的读/写均以扇区为单位。由于SD卡系统分区的前三部分是十分重要的，一般不能将数据写入这三部分所在的扇区内，否则会使得SD卡无法被电脑识别，因此在向SD卡写入数据前，首先需找到引导扇区的位置，并根据其中的内容计算FAT、FDT以及数据簇的起始地址和大小。为节省LPC2103的内存，设置SD卡写数据为单块写模式。写SD同样要遵循SD卡写块时序。
        
3 测试结果

本设计的上位机数据测试软件在LabVIEW环境下开发，针对串口发送的数据和保存在SD卡中的实时数据进行不同的开发，其数据结果如图8所示。数据测试软件将串口发送的数据转换至[-5V,5V]之间进行显示。图中，通过标定换算，数据采集的结果是准确有效的。



因此，方案所设计的三相电信号数据采集系统能够为进行基于电机拖动的液压动力系统运行状态监测研究奠定良好的数据平台。

4 结论

本文提出了基于LPC2103的三相电信号数据采集系统的设计方案。方案以LPC2103为核心设计的三相电信号数据采集系统，采用霍尔传感器准确、安全的获取电压电流信号，数据的存储采用SD卡存储方式和串口发送数据至上位机存储模式两种法相结合，增加了数据采集系统的应用灵活性，并给出了详细的软、硬件开发过程。通过测试软件的标定换算，数据采集的结果是准确并有效的，从而验证了方案中所设计的三相电信号数据采集系统能够为进行基于电机拖动的液压动力系统运行状态监测研究奠定良好的数据平台。