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

基于三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備憑借其運(yùn)行中的諸多優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，針對(duì)液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行而開展的研究也越來越多。各種能夠反應(yīng)此類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的特征信號(hào)中，電機(jī)的三相電信號(hào)能夠充分的反應(yīng)其液壓故障和電機(jī)故障[1],且三相電信號(hào)具有穩(wěn)定、不易受干擾的特點(diǎn)。因此，根據(jù)應(yīng)用的需要，開發(fā)具有高便攜性和實(shí)用性的三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)液壓設(shè)備運(yùn)行中三相電信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集、存儲(chǔ)等功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷等工作都是十分重要和有意義的。

1 系統(tǒng)的硬件開發(fā)

根據(jù)三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本文開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)硬件部分由模擬信號(hào)獲取、調(diào)理單元，數(shù)據(jù)采集與處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通信四大模塊組成。系統(tǒng)的原理如圖1所示。

1.1 主控芯片單元

主控芯片是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，在選擇主控芯片時(shí)，主要有以下方面：

(1)體積小且具有豐富的內(nèi)部資源，以減少外部擴(kuò)展，減小數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊的體積;

(2)具有較高的運(yùn)算速率，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度;

(3)低功耗、高性價(jià)比。

綜合上述問題本設(shè)計(jì)選擇以LPC2103為主控芯片，最小系統(tǒng)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(nèi)部PLL,4倍頻提供給芯片內(nèi)部工作時(shí)鐘。CX3,CX4和Y2為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振部分[2?3].

1.2 信號(hào)獲取單元

本設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)，信號(hào)的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據(jù)這兩種信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)硬件設(shè)計(jì)。

1.2.1 三相電壓獲取

驅(qū)動(dòng)液壓設(shè)備的三相異步電機(jī)的其額定工作電壓大都為380 V,而本設(shè)計(jì)采用的AD 芯片為LPC2103 內(nèi)置的10 位A/D 模塊，它要求輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0~3.3 V.因此，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的前提下，考慮到使用的方便，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)周期和經(jīng)濟(jì)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(duì)被采集電壓進(jìn)行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應(yīng)用中兩分壓電阻其阻值如下：

RIN1 = 75 kΩ , 計(jì)算功率為：

PRIN1= 1.87 W ,實(shí)際中將選擇PRIN1= 1.5 × 1.87 W ≈ 3 W 的分壓電阻;RV1 = 1 kΩ , 計(jì)算功率為：

PRV1= 25 mW ,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。

此時(shí)RV1 上的電壓為0~5 V,由運(yùn)放U2C,U2D 組成了整流模塊，將電壓轉(zhuǎn)換成0~3.3 V.由于使用集成運(yùn)放搭建信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻Rin 和反饋電阻Rf的阻值選擇應(yīng)遵循的原則是：

綜上，相關(guān)電阻選擇為：R3 = R4 =R5 = 20 kΩ ,R6 = 5.1 kΩ ,為了保證調(diào)理電路準(zhǔn)確將+5 V信號(hào)調(diào)整至3.3 V,反相比例電路的反饋電阻R8 = 10 kΩ ,輸入電阻R7采用電位器實(shí)現(xiàn)。

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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用前提是不影響設(shè)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(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。為達(dá)到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，霍爾傳感器的參數(shù)選擇根據(jù)被測(cè)