基于ARM处理器的电机物理量采集系统的设计
日期：2010-7-1 23:10:02 点击：
来源：中国工控网
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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， pt)
{
while( pt){
if( pt== ＼n )
Uart_
SendByte(whichUart， kr )；
Uart
_ SendByte(whichUart,*pt )；
)
)
void Uart_Prinf(int whichUart， fmt，．．．)
{
va
_ list ap；
static 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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O 引言
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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．
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1 系统简介
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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．
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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2 系统设计
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
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2．1 硬件设计
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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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．
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
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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．
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WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
2．2 软件设计
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
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2．2．1 μC／OS II操作系统的移植
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
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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．
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2．2．2 应用程序的设计
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W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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．
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WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
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．
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
主要代码有：
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
#define PRSCVL(20<<6)
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
#define ADCCON
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
plcjs.技.术_网
_
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
ENABLE_ START(Ox1)
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
#define STDBM (0x0<<2)
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
#define PRSCEN(0xl<<l41
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
void init
plcjs.技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
_ ADdevice0 ／／AD设备初始化
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
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{
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
rADCCON=(PRSCVLlADCCON_ENABLE_STARTISTDBMIPRSCEN)；
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)
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int GetADresuh(int channe1)
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{
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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rADCCON=ADCCON
plcjs.技.术_网
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— ENABLE— START—BYREADI(channel<<3)IPRSCENIPRSCVL；
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
while(!frADCCON&ADCCON—FLAG))； ／／AD转换结束
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
return f0x3ff&rADCDATO)； ／／返回采样值
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}
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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：
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int Uart_
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plcjs.技.术_网
Init(int whichUart，int baud)
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{
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if(whichUaxt>=NumberOfUartDrv)
plcjs.技.术_网
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return FALSE；
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return serial_
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drv[whichUart]->init(baud)；
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}
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WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
int Uart_ SendByte(int whichUart，int data)
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{
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
if(whichUart>=NumberOfUartDrv)
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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return FALS E；
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return serial— ．drv[whichUart]->write(data)；
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}
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WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
void Uart_
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
SendString(int whichUart， pt)
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
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{
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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while( pt){
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if( pt== ＼n )
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Uart_
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SendByte(whichUart， kr )；
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Uart
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_ SendByte(whichUart,*pt )；
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)
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)
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void Uart_Prinf(int whichUart， fmt，．．．)
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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{
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va
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_ list ap；
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static string[256]；
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va
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_ start(ap,fmt)；
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vsprinf(string,fmt，ap)；
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Uart_
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SendString(whichUart，string)；
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va
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_ end(ap)；
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3 结论
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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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程
控
制
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程
师
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共
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