ARM處理器設計的電機電物理量采集系統(tǒng)

摘要：設計了一種基于ARM處理器和μC／OS II的嵌入式電機電物理量采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)選用低噪聲低功耗芯片，對模擬電路進行信號調理和高速采集；采用高性能工業(yè)級ARM微處理器(S3C2410一S)，結合軟件算法進行實時數字信號處理．實驗結果表明該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、精度較高、實時性好等優(yōu)點，能有效的采集電機電流、電壓信號，進而使上位機能更方便的進行電機電物理量分析．

引言

??? 自19世紀發(fā)明發(fā)電機和電動機以來，由于電能應用方便，電動機的性能優(yōu)良，便于控制，使用與操作簡單，從而得到了迅速普及，應用范圍越來越廣．然而，由于電機運行機制復雜，長期處于高速運轉和高電壓、強磁場環(huán)境之下，運行環(huán)境惡劣，要求電機設備不出故障是不現(xiàn)實的，絕對安全可靠的電機設備也是根本不存在的l1J．因此，我們只能從預防故障和減少損失的角度出發(fā)，及時發(fā)現(xiàn)電機的異常，掌握設備的運行狀態(tài)．對已經形成的或正在形成的故障進行分析診斷，判斷故障的部位和產生的原因，并及早采取有效的措施，防患于未然．這就需要我們能實時的精確的采集電機在運行中的各種物理量，進而進行有效的分析、判斷故障．傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)多以8／16位單片機構成控制系統(tǒng)，其硬件電路較復雜，集成度較低，設計和調試難度較大，不太方便系統(tǒng)升級．傳統(tǒng)的前后臺式的軟件設計方法限制了硬件系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，影響了系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性．筆者從ARM9來人手，借鑒了一些新的測試方法，并應用ADS1．2設計出一套電機電物理量采集系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)簡介

??? 本系統(tǒng)設計采集電機的電壓、電流2個物理量．其中電流3相都要采集．電物理量采集系統(tǒng)的設計關鍵在于A／D轉換的環(huán)節(jié)．A／D轉換器是模擬信號源和CPU之間聯(lián)系的接口，它的任務是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機和數字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示．在工業(yè)控制和數據采集及許多其他領域中，A／D轉換是不可缺少的．A／D轉換器有以下類型：逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型、電壓一頻率型．主要應根據使用場合的具體要求，按照轉換速度、精度、價格、功能以及接口條件等因素決定選擇何種類型．本系統(tǒng)的ARM采用三星公司的S3C2410一S，其擁有8路10位A／D轉換器，最大轉換率為500 KPSO1．S3C2A-10一S的A／D轉換器能接受電壓范圍為0—3．3 V，但電機電信號是成正弦波的圖像分布的，超出了A／D轉換器能接受的電壓范圍．所以設計前端調理電路將電信號的正弦波整體向上抬高。使之范圍控制在0—3．3 V．然后將電信號輸出到A／D轉換器．最后經CPU的處理將采集到的數據從串口傳送給計算機．進計算機可以對電機物理量進行相應的分析．

2 系統(tǒng)設計

2．1 硬件設計

??? 該系統(tǒng)主要由前端調理電路、CPU集成電路和計算機組成．基本結構如圖1所示

??? 其中由于S3C2410一S的A／D轉換器能接受電壓范圍為O~3．3 V，但電機電信號是成正弦波的圖像分布的．所以前端調理電路設計將電信號的正弦波負半軸對稱折到x軸上方，使之范圍控制在0-3．3 V．產生波形如圖2所示．

?

??? 同時電路里產生一個方波信號．當波形屬于被翻上去的部分時方波處于低電平，其他時候處于高電平．以此方波信號在上位機來還原波形．CPU集成電路包括直流穩(wěn)壓電源電路、A／D電路、主CPU電路和串口電路．A／D電路接受從轉換電路送過來的模擬信號，然后轉換成ARMCPU能接受的數字信號．經過處理后從串口電路傳送給上位計算機．

2．2 軟件設計

2．2．1 μC／OS II操作系統(tǒng)的移植

?? μC／OS II提供的僅僅是一個任務調度的內核，要想實現(xiàn)一個相對完整，實用的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，還需要相當多的擴展性的工作，主要包括：建立文件系統(tǒng)(本系統(tǒng)以Flash為存儲介質，建立文件和目錄)、為外部設備建立驅動程序并規(guī)范相應的API函數創(chuàng)建圖形用戶接口(GUI)函數、建立其他實用的應用程序接口(API)函數等．本系統(tǒng)中基于μC／OS II內核的RTOS軟件系統(tǒng)總體框圖如圖3所示．

2．2．2 應用程序的設計

??? 該程序采用ADS1．2結合c語言來設計．首先是系統(tǒng)初始化，根據ARM芯片固有的功能和特征，進行主程序的入口設置，所用寄存器清零，程序ROM區(qū)和數據RAM區(qū)的初始化，中斷矢量設置等主程序運行前的準備工作．以及檢查系統(tǒng)電源，監(jiān)視芯片上電后的ARM芯片內的硬件運行情況．當ARM芯片運行正常后，進人數據采集軟件的主程序運行．流程圖如圖4所示．

??? 1)AD數據采集．A／D轉換的數據可以通過中斷或查詢的方式來訪問，如果是用中斷方式，全部的轉換時間(從A／D轉換的開始到數據讀出)要更長，因為中斷服務程序返回和數據的訪問的原因，所以采用查詢方式不斷檢測ADCCONt3j(轉換結束標志位)來確定從ADCDAT寄存器讀取的數據是否是最新的轉換數據．

主要代碼有：

#define PRSCVL(20<<6)

#define ADCCON

_

ENABLE_ START(Ox1)

#define STDBM (0x0<<2)

#define PRSCEN(0xl<

void init

_ ADdevice0 ／／AD設備初始化

{

rADCCON=(PRSCVLlADCCON_ENABLE_STARTISTDBMIPRSCEN)；

)

int GetADresuh(int channe1)

{

rADCCON=ADCCON

— ENABLE— START—BYREADI(channel<<3)IPRSCENIPRSCVL；

while(!frADCCON&ADCCON—FLAG))； ／／AD轉換結束

return f0x3ff&rADCDATO)； ／／返回采樣值

}

??? 2)數據發(fā)送．異步串行方式是將傳輸數據的每個字符一位接一位(例如先低位、后高位)地傳送．數據的各不同位可以分時使用同一傳輸通道，因此串行I／O 可以減少信號連線，最少用一對線即可進行．接收方對于同一根線上一連串的數字信號，首先要分割成位，再按位組成字符．為了恢復發(fā)送的信息，雙方必須協(xié)調工作．在微型計算機中大量使用異步串行I／O 方式，雙方使用各自的時鐘信號，而且允許時鐘頻率有一定誤差。因此實現(xiàn)較容易．主要代碼有：

int Uart_

Init(int whichUart，int baud)

{

if(whichUaxt>=NumberOfUartDrv)

return FALSE；

return serial_

drv[whichUart]->init(baud)；

}

int Uart_ SendByte(int whichUart，int data)

{

if(whichUart>=NumberOfUartDrv)

return FALS E；

return serial— ．drv[whichUart]->write(data)；

}

void Uart_

SendString(int whichUart，char pt)

{

while( pt){

if( pt== ＼n )

Uart_

SendByte(whichUart， kr )；

Uart

_ SendByte(whichUart,*pt++)；

)

)

void Uart_Prinf(int whichUart，char fmt，．．．)

{

va

_ list ap；

static char string[256]；

va

_ start(ap,fmt)；

vsprinf(string,fmt，ap)；

Uart_

SendString(whichUart，string)；

va

_ end(ap)；

)

3 結論

??? 采集數據分4路，1路電壓和3路的電流．采集時上位機接收到的數據每路每個周期有52個點．既其采樣頻率達到了2 600 Hz．根據奈奎斯特定理，為了完整的保留原始信號中的信息，在進行模擬／數字信號的轉換過程中，要使采樣頻率大于信號中最高頻率2倍． 所以本系統(tǒng)能分析的諧波最高頻率為1．3 kHz，即1-3 kHz／50 Hz：26次諧波．足夠滿足上位機做諧波分析的要求．以S3C2410一S為核心的嵌入式硬件系統(tǒng)，并采用ADS開發(fā)相應的應用程序，串口方式實現(xiàn)通信，實現(xiàn)了電機物理量的采集，給上位機分析電機提供了可靠的保障．并且該系統(tǒng)采用的ARM核的微控制器也使之較傳統(tǒng)的系統(tǒng)在可靠性、體積、功耗、性價比等方面都具有明顯的優(yōu)勢，使之有廣泛的應用前景和價值．