解析ARM处理器在电机电物理量采集系统上的设计

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                    　　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.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。
　　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。用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。1、同时具有算术运算和逻辑运算功能
　　数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。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。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。
　　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ARM CPU能接受的数字信号。ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等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、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。ADS1.2 ADS是ARM公司的集成开发环境软件，他的功能非常强大。他的前身是SDT,SDT是ARM公司几年前的开发环境软件，目前SDT早已经不再升级。ADS包括了四个模块分别是：SIMULATOR;C 编译器；实时调试器；应用函数库。ADS的编译器调试器较SDT都有了非常大的改观， ADS1.2提供完整的WINDOWS界面开发环境。C编译器效率极高，支持c 以及c++,使工程师可以很方便的使用C语言进行开发。提供软件模拟仿真功能，使没有Emulators的学习者也能够熟悉ARM的指令系统。配合FFT-ICE使用，ADS1.2提供强大的实时调试跟踪功能，片内运行情况尽在掌握。ADS1.2需要硬件支持才能发挥强大功能。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,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。