三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，本設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(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)運算時間和提高采樣頻率，每次采樣的結(jié)果保留低16位，即每個采樣點的數(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,考慮到長時間采集下的較大數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲時的高傳輸率，數(shù)據(jù)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(nèi)部擁有串行外設(shè)SPI總線，且使用SPI總線時能夠節(jié)省主控制器的I/O資源，因此本設(shè)計采用SPI接口方式實現(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，SD卡為從機，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;主控制器時鐘信號線SCK0連接SD卡SCK引腳，保證主從設(shè)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(shù)據(jù)輸入;控制器的主機輸入從機輸出線MISO連接SD卡的數(shù)據(jù)輸出信號線。

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)運行模式。運行模式1,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機;運行模式2,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手冊，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，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)，否則會使得SD卡無法被電腦識別，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卡寫塊時序。

3 測試結(jié)果

本設(shè)計的上位機數(shù)據(jù)測試軟件在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，針對串口發(fā)送的數(shù)據(jù)和保存在SD卡中的實時數(shù)據(jù)進行不同的開發(fā)，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)測試軟件將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至[-5V,5V]之間進行顯示。圖中，通過標定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準確有效的。

因此，方案所設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺。

4 結(jié)論

本文提出了基于LPC2103的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。方案以LPC2103為核心設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器準確、安全的獲取電壓電流信號，數(shù)據(jù)的存儲采用SD卡存儲方式和串口發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機存儲模式兩種法相結(jié)合，增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，并給出了詳細的軟、硬件開發(fā)過程。通過測試軟件的標定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準確并有效的，從而驗證了方案中所設(shè)計的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為進行基于電機拖動的液壓動力系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測研究奠定良好的數(shù)據(jù)平臺。