基于LPC2103的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案

基于三相異步電機驅動的液壓設備憑借其運行中的諸多優(yōu)點在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用，針對液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行而開展的研究也越來越多。各種能夠反應此類設備運轉狀態(tài)的特征信號中，電機的三相電信號能夠充分的反應其液壓故障和電機故障[1],且三相電信號具有穩(wěn)定、不易受干擾的特點。因此，根據(jù)應用的需要，開發(fā)具有高便攜性和實用性的三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對液壓設備運行中三相電信號實時準確的采集、存儲等功能，對實現(xiàn)基于電機驅動的液壓設備狀態(tài)監(jiān)測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)三相電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用環(huán)境，本文開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)硬件部分由模擬信號獲取、調理單元，數(shù)據(jù)采集與處理單元和數(shù)據(jù)存儲數(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

主控芯片是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)應用的設計需求，在選擇主控芯片時，主要有以下方面：

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

(2)具有較高的運算速率，提高實時數(shù)據(jù)的準確度;

(3)低功耗、高性價比。

綜合上述問題本設計選擇以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，之后將通過內部PLL,4倍頻提供給芯片內部工作時鐘。CX3,CX4和Y2為實時時鐘晶振部分[2?3].

1.2 信號獲取單元

本設計開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)，信號的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據(jù)這兩種信號的特點進行了相關硬件設計。

1.2.1 三相電壓獲取

驅動液壓設備的三相異步電機的其額定工作電壓大都為380 V,而本設計采用的AD 芯片為LPC2103 內置的10 位A/D 模塊，它要求輸入模擬信號的電壓范圍為0~3.3 V.因此，在實現(xiàn)準確測量的前提下，考慮到使用的方便，設計的實現(xiàn)周期和經(jīng)濟等問題，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，對被采集電壓進行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應用中兩分壓電阻其阻值如下：

RIN1 = 75 kΩ , 計算功率為：

PRIN1= 1.87 W ,實際中將選擇PRIN1= 1.5 × 1.87 W ≈ 3 W 的分壓電阻;RV1 = 1 kΩ , 計算功率為：

PRV1= 25 mW ,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。

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

綜上，相關電阻選擇為：R3 = R4 =R5 = 20 kΩ ,R6 = 5.1 kΩ ,為了保證調理電路準確將+5 V信號調整至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現(xiàn)非接觸式測量。為達到準確的測量結果，霍爾傳感器的參數(shù)選擇根據(jù)被測