三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將在不方便與上位機(jī)通信的情況下，能夠在下位機(jī)中保存大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于采集模塊采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,其A/D數(shù)據(jù)寄存器為32位寄存器，為節(jié)省數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間和提高采樣頻率，每次采樣的結(jié)果保留低16位，即每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)為16b=2B.系統(tǒng)將采樣頻率設(shè)置為1024Hz,在這樣的采樣頻率下，8通道1s采集的數(shù)據(jù)量：1024×8×2B=16KB,考慮到長(zhǎng)時(shí)間采集下的較大數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的高傳輸率，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(nèi)部擁有串行外設(shè)SPI總線，且使用SPI總線時(shí)能夠節(jié)省主控制器的I/O資源，因此本設(shè)計(jì)采用SPI接口方式實(shí)現(xiàn)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(jī)，SD卡為從機(jī)，在SPI模式下完成數(shù)據(jù)傳輸?？刂破鞯腉PIO端口P0.9連接SD卡片選線SD_CS;主控制器時(shí)鐘信號(hào)線SCK0連接SD卡SCK引腳，保證主從設(shè)備間的時(shí)鐘同步;控制器的主機(jī)輸出從機(jī)輸入線MOSI連接SD卡的數(shù)據(jù)輸入;控制器的主機(jī)輸入從機(jī)輸出線MISO連接SD卡的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)線。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

用戶通過按鍵選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行模式。運(yùn)行模式1,系統(tǒng)采集三相電信號(hào)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī);運(yùn)行模式2,系統(tǒng)采集三相電信號(hào)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存至SD卡，不與上位機(jī)進(jìn)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(shí)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(duì)SD卡的操作按照其數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過主控制器發(fā)送給SD卡相應(yīng)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(fā)送指令時(shí)，高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后。操作流程如圖7所示。

本設(shè)計(jì)使用了文件系統(tǒng)為FAT16類型的SD卡。FAT16文件系統(tǒng)的系統(tǒng)分區(qū)由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT表、FDT表和文件數(shù)據(jù)區(qū)四大部分組成，數(shù)據(jù)的讀/寫均以扇區(qū)為單位。由于SD卡系統(tǒng)分區(qū)的前三部分是十分重要的，一般不能將數(shù)據(jù)寫入這三部分所在的扇區(qū)內(nèi)，否則會(huì)使得SD卡無法被電腦識(shí)別，因此在向SD卡寫入數(shù)據(jù)前，首先需找到引導(dǎo)扇區(qū)的位置，并根據(jù)其中的內(nèi)容計(jì)算FAT、FDT以及數(shù)據(jù)簇的起始地址和大小。為節(jié)省LPC2103的內(nèi)存，設(shè)置SD卡寫數(shù)據(jù)為單塊寫模式。寫SD同樣要遵循SD卡寫塊時(shí)序。

3 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)試軟件在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，針對(duì)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)和保存在SD卡中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的開發(fā)，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)測(cè)試軟件將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至[-5V,5V]之間進(jìn)行顯示。圖中，通過標(biāo)定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。

因此，方案所設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)檫M(jìn)行基于電機(jī)拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4 結(jié)論

本文提出了基于LPC2103的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。方案以LPC2103為核心設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器準(zhǔn)確、安全的獲取電壓電流信號(hào)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用SD卡存儲(chǔ)方式和串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)存儲(chǔ)模式兩種法相結(jié)合，增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，并給出了詳細(xì)的軟、硬件開發(fā)過程。通過測(cè)試軟件的標(biāo)定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準(zhǔn)確并有效的，從而驗(yàn)證了方案中所設(shè)計(jì)的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)檫M(jìn)行基于電機(jī)拖動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺(tái)。