ARM处理器设计的电机电物理量采集系统
摘要：设计了一种基于arm处理器和μc／os ii的嵌入式电机电物理量采集系统：该系统选用低噪声低功耗芯片，对模拟电路进行信号调理和高速采集；采用高性能工业级arm微处理器(s3c2410一s)，结合软件算法进行实时数字信号处理．实验结果表明该系统具有体积小、重量轻、功耗低、精度较高、实时性好等优点，能有效的采集电机电流、电压信号，进而使上位机能更方便的进行电机电物理量分析．
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<
void init
_ addevice0 ／／ad设备初始化
{
radccon=(prscvlladccon_enable_startistdbmiprscen)；
)
int getadresuh(int channe1)
{
radccon=adccon
— enable— start—byreadi(channel<=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，char pt)
{
while( pt){
if( pt== ＼n )
uart_
sendbyte(whichuart， kr )；
uart
_ sendbyte(whichuart,*pt++)；
)
)
void uart_prinf(int whichuart，char fmt，．．．)
{
va
_ list ap；
static char 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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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．
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_
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return serial_
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}
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{
if(whichuart>=numberofuartdrv)
return fals e；
return serial— ．drv[whichuart]->write(data)；
}
void uart_
sendstring(int whichuart，char pt)
{
while( pt){
if( pt== ＼n )
uart_
sendbyte(whichuart， kr )；
uart
_ sendbyte(whichuart,*pt++)；
)
)
void uart_prinf(int whichuart，char fmt，．．．)
{
va
_ list ap；
static char 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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