基于ARM 处理器的电机电物理量采集系统的设计

ARM009

摘要：设计了一种基于ARM处理器和μC／OS II的嵌入式电机电物理量采集系统：该系统选用低噪声低功耗芯片，对模拟电路进行信号调理和高速采集；采用高性能工业级ARM微处理器(S3C2410一S)，结合软件算法进行实时数字信号处理．实验结果表明该系统具有体积小、重量轻、功耗低、精度较高、实时性好等优点，能有效的采集电机电流、电压信号，进而使上位机能更方便的进行电机电物理量分析．

O 引言

    自19世纪发明发电机和电动机以来，由于电能应用方便，电动机的性能优良，便于控制，使用与操作简单，从而得到了迅速普及，应用范围越来越广．然而，由于电机运行机制复杂，长期处于高速运转和高电压、强磁场环境之下，运行环境恶劣，要求电机设备不出故障是不现实的，绝对安全可靠的电机设备也是根本不存在的l1J．因此，我们只能从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现电机的异常，掌握设备的运行状态．对已经形成的或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，防患于未然．这就需要我们能实时的精确的采集电机在运行中的各种物理量，进而进行有效的分析、判断故障．传统的数据采集系统多以8／16位单片机构成控制系统，其硬件电路较复杂，集成度较低，设计和调试难度较大，不太方便系统升级．传统的前后台式的软件设计方法限制了硬件系统功能的充分发挥，影响了系统的实时性与稳定性．笔者从ARM9来人手，借鉴了一些新的测试方法，并应用ADS1．2设计出一套电机电物理量采集系统．

1 系统简介

    本系统设计采集电机的电压、电流2个物理量．其中电流3相都要采集．电物理量采集系统的设计关键在于A／D转换的环节．A／D转换器是模拟信号源和CPU之间联系的接口，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示．在工业控制和数据采集及许多其他领域中，A／D转换是不可缺少的．A／D转换器有以下类型：逐位比较型、积分型、计数型、并行比较型、电压一频率型．主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素决定选择何种类型．本系统的ARM采用三星公司的S3C2410一S，其拥有8路10位A／D转换器，最大转换率为500 KPSO1．S3C2A-10一S的A／D转换器能接受电压范围为0—3．3 V，但电机电信号是成正弦波的图像分布的，超出了A／D转换器能接受的电压范围．所以设计前端调理电路将电信号的正弦波整体向上抬高。使之范围控制在0—3．3 V．然后将电信号输出到A／D转换器．最后经CPU的处理将采集到的数据从串口传送给计算机．进计算机可以对电机物理量进行相应的分析．

  

2 系统设计

2．1 硬件设计

    该系统主要由前端调理电路、CPU集成电路和计算机组成．基本结构如图1所示





    其中由于S3C2410一S的A／D转换器能接受电压范围为O~3．3 V，但电机电信号是成正弦波的图像分布的．所以前端调理电路设计将电信号的正弦波负半轴对称折到x轴上方，使之范围控制在0-3．3 V．产生波形如图2所示．





    同时电路里产生一个方波信号．当波形属于被翻上去的部分时方波处于低电平，其他时候处于高电平．以此方波信号在上位机来还原波形．CPU集成电路包括直流稳压电源电路、A／D电路、主CPU电路和串口电路．A／D电路接受从转换电路送过来的模拟信号，然后转换成ARMCPU能接受的数字信号．经过处理后从串口电路传送给上位计算机．

2．2 软件设计

2．2．1 μC／OS II操作系统的移植

   μC／OS II提供的仅仅是一个任务调度的内核，要想实现一个相对完整，实用的嵌入式实时多任务操作系统，还需要相当多的扩展性的工作，主要包括：建立文件系统(本系统以Flash为存储介质，建立文件和目录)、为外部设备建立驱动程序并规范相应的API函数创建图形用户接口(GUI)函数、建立其他实用的应用程序接口(API)函数等．本系统中基于μC／OS II内核的RTOS软件系统总体框图如图3所示．

2．2．2 应用程序的设计

    该程序采用ADS1．2结合c语言来设计．首先是系统初始化，根据ARM芯片固有的功能和特征，进行主程序的入口设置，所用寄存器清零，程序ROM区和数据RAM区的初始化，中断矢量设置等主程序运行前的准备工作．以及检查系统电源，监视芯片上电后的ARM芯片内的硬件运行情况．当ARM芯片运行正常后，进人数据采集软件的主程序运行．流程图如图4所示．





    1)AD数据采集．A／D转换的数据可以通过中断或查询的方式来访问，如果是用中断方式，全部的转换时间(从A／D转换的开始到数据读出)要更长，因为中断服务程序返回和数据的访问的原因，所以采用查询方式不断检测ADCCONt3j(转换结束标志位)来确定从ADCDAT寄存器读取的数据是否是最新的转换数据．

主要代码有：

#define PRSCVL(20<<6)

#define ADCCON

_

ENABLE_ START(Ox1)

#define STDBM (0x0<<2)

#define PRSCEN(0xl<<l41

void init

_ ADdevice0 ／／AD设备初始化

{

rADCCON=(PRSCVLlADCCON_ENABLE_STARTISTDBMIPRSCEN)；

)

int GetADresuh(int channe1)

{

rADCCON=ADCCON

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

while(!frADCCON&ADCCON—FLAG))； ／／AD转换结束

return f0x3ff&rADCDATO)； ／／返回采样值

}

    2)数据发送．异步串行方式是将传输数据的每个字符一位接一位(例如先低位、后高位)地传送．数据的各不同位可以分时使用同一传输通道，因此串行I／O 可以减少信号连线，最少用一对线即可进行．接收方对于同一根线上一连串的数字信号，首先要分割成位，再按位组成字符．为了恢复发送的信息，双方必须协调工作．在微型计算机中大量使用异步串行I／O 方式，双方使用各自的时钟信号，而且允许时钟频率有一定误差。因此实现较容易．主要代码有：

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 结论

    采集数据分4路，1路电压和3路的电流．采集时上位机接收到的数据每路每个周期有52个点．既其采样频率达到了2 600 Hz．根据奈奎斯特定理，为了完整的保留原始信号中的信息，在进行模拟／数字信号的转换过程中，要使采样频率大于信号中最高频率2倍． 所以本系统能分析的谐波最高频率为1．3 kHz，即1-3 kHz／50 Hz：26次谐波．足够满足上位机做谐波分析的要求．以S3C2410一S为核心的嵌入式硬件系统，并采用ADS开发相应的应用程序，串口方式实现通信，实现了电机物理量的采集，给上位机分析电机提供了可靠的保障．并且该系统采用的ARM核的微控制器也使之较传统的系统在可靠性、体积、功耗、性价比等方面都具有明显的优势，使之有广泛的应用前景和价值．


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