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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點在生產實踐中得到廣泛應用，針對液壓系統安全穩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定、不易受干擾的特點。因此，根據應用的需要，開發具有高便攜性和實用性的三相電信號數據采集系統，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，對實現基于電機驅動的液壓設備狀態監測以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。 1 系統的硬件開發 根據三相電信號數據采集系統的應用環境，本文開發的數采系統硬件部分由模擬信號獲取、調理單元，數據采集與處理單元和數據存儲數據通信四大模塊組成。系統的原理如圖1所示。 1.1 主控芯片單元 主控芯片是整個數據采集系統的核心部分。根據應用的設計需求，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，減小數據采集系統硬件模塊的體積; (2)具有較高的運算速率，提高實時數據的準確度; (3)低功耗、高性價比。 綜合上述問題本設計選擇以LPC2103為主控芯片，最小系統如圖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 本設計開發的數采系統，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據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380V,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0~3.3V.因此，在實現準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實現周期和經濟等問題，三相電壓的獲取采用了電阻分壓式，原理圖如圖3所示。 由RV1,Rin1組成分壓電路，對被采集電壓進行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應用中兩分壓電阻其阻值如下：RIN1=75kΩ,計算功率為：PRIN1=1.87W,實際中將選擇PRIN1=1.5×1.87W≈3W的分壓電阻;RV1=1kΩ,計算功率為：PRV1=25mW,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。 此時RV1上的電壓為0~5V,由運放U2C,U2D組成了整流模塊，將電壓轉換成0~3.3V.由于使用集成運放搭建信號運算電路時，運放的輸入電阻Rin和反饋電阻Rf的阻值選擇應遵循的原則是： 綜上，相關電阻選擇為：R3=R4=R5=20kΩ,R6=5.1kΩ,為了保證調理電路準確將+5V信號調整至3.3V,反相比例電路的反饋電阻R8=10kΩ,輸入電阻R7采用電位器實現。 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 三相電流獲取方式 由于數據采集系統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非接觸式測量。為達到準確的測量結果，霍爾傳感器的參數選擇根據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,考慮到保護后續測量電路的安全，設計了限幅電路，保證測量信號始終在±5V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[-5V,5V]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[-5V,5V]范圍內時： (1)當輸入信號Ui>5V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=5V. (2)同理，當輸入信號Ui 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,將經過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，本設計開發的數據采集系統，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時數據。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，即每個采樣點的數據為16b=2B.系統將采樣頻率設置為1024Hz,在這樣的采樣頻率下，8通道1s采集的數據量：1024×8×2B=16KB,考慮到長時間采集下的較大數據量和數據存儲時的高傳輸率，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，且使用SPI總線時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。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卡的數據輸入;控制器的主機輸入從機輸出線MISO連接SD卡的數據輸出信號線。 2 系統軟件開發 用戶通過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，并將實時數據通過串口發送至上位機;運行模式2,系統采集三相電信號，并將實時數據保存至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卡的操作按照其數據手冊，通過主控制器發送給SD卡相應的命令來完成。SPI模式下，SD卡的指令由6B組成，主控制器向SD卡發送指令時，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，一般不能將數據寫入這三部分所在的扇區內，否則會使得SD卡無法被電腦識別，因此在向SD卡寫入數據前，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卡寫數據為單塊寫模式。寫SD同樣要遵循SD卡寫塊時序。 3 測試結果 本設計的上位機數據測試軟件在LabVIEW環境下開發，針對串口發送的數據和保存在SD卡中的實時數據進行不同的開發，其數據結果如圖8所示。數據測試軟件將串口發送的數據轉換至[-5V,5V]之間進行顯示。圖中，通過標定換算，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數據采集系統能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統運行狀態監測研究奠定良好的數據平臺。 4 結論 本文提出了基于LPC2103的三相電信號數據采集系統的設計方案。方案以LPC2103為核心設計的三相電信號數據采集系統，采用霍爾傳感器準確、安全的獲取電壓電流信號，數據的存儲采用SD卡存儲方式和串口發送數據至上位機存儲模式兩種法相結合，增加了數據采集系統的應用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開發過程。通過測試軟件的標定換算，數據采集的結果是準確并有效的，從而驗證了方案中所設計的三相電信號數據采集系統能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統運行狀態監測研究奠定良好的數據平臺。 |
