基于LPC2103的三相电信号数据采集系统的设计方案

基于三相异步电机驱动的液压设备凭借其运行中的诸多优点在生产实践中得到广泛应用，针对液压系统安全稳定的运行而开展的研究也越来越多。各种能够反应此类设备运转状态的特征信号中，电机的三相电信号能够充分的反应其液压故障和电机故障[1],且三相电信号具有稳定、不易受干扰的特点。因此，根据应用的需要，开发具有高便携性和实用性的三相电信号数据采集系统，完成对液压设备运行中三相电信号实时准确的采集、存储等功能，对实现基于电机驱动的液压设备状态监测以及故障诊断等工作都是十分重要和有意义的。

1 系统的硬件开发

根据三相电信号数据采集系统的应用环境，本文开发的数采系统硬件部分由模拟信号获取、调理单元，数据采集与处理单元和数据存储数据通信四大模块组成。系统的原理如图1所示。

1.1 主控芯片单元

主控芯片是整个数据采集系统的核心部分。根据应用的设计需求，在选择主控芯片时，主要有以下方面：

(1)体积小且具有丰富的内部资源，以减少外部扩展，减小数据采集系统硬件模块的体积;

(2)具有较高的运算速率，提高实时数据的准确度;

(3)低功耗、高性价比。

综合上述问题本设计选择以LPC2103为主控芯片，最小系统如图2所示。

LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振组成，之后将通过内部PLL,4倍频提供给芯片内部工作时钟。CX3,CX4和Y2为实时时钟晶振部分[2?3].

1.2 信号获取单元

本设计开发的数采系统，信号的获取包括三相电压和三相电流两部分，根据这两种信号的特点进行了相关硬件设计。

1.2.1 三相电压获取

驱动液压设备的三相异步电机的其额定工作电压大都为380 V,而本设计采用的AD 芯片为LPC2103 内置的10 位A/D 模块，它要求输入模拟信号的电压范围为0~3.3 V.因此，在实现准确测量的前提下，考虑到使用的方便，设计的实现周期和经济等问题，三相电压的获取采用了电阻分压式，原理图如图3所示。

由RV1 ,Rin1 组成分压电路，对被采集电压进行分压，考虑到电阻的功率和电路板的体积等问题，应用中两分压电阻其阻值如下：

RIN1 = 75 kΩ , 计算功率为：

PRIN1= 1.87 W ,实际中将选择PRIN1= 1.5 × 1.87 W ≈ 3 W 的分压电阻;RV1 = 1 kΩ , 计算功率为：

PRV1= 25 mW ,因此选择普通电阻即可满足使用要求。

此时RV1 上的电压为0~5 V,由运放U2C,U2D 组成了整流模块，将电压转换成0~3.3 V.由于使用集成运放搭建信号运算电路时，运放的输入电阻Rin 和反馈电阻Rf的阻值选择应遵循的原则是：

综上，相关电阻选择为：R3 = R4 =R5 = 20 kΩ ,R6 = 5.1 kΩ ,为了保证调理电路准确将+5 V信号调整至3.3 V,反相比例电路的反馈电阻R8 = 10 kΩ ,输入电阻R7采用电位器实现。

由U2A组成电压跟随电路桥接分压电路和整流电路两部分，使其相互之间互不影响。

1.2.2 三相电流获取方式

由于数据采集系统的使用前提是不影响设备的正常工作，因此三相电流的获取方式采用穿孔式霍尔电流传感器以实现非接触式测量。为达到准确的测量结果，霍尔传感器的参数选择根据被测 电机的额定电流来进行。其中：由于电机在启动瞬间其冲击电流是额定电流的5~7倍，测试表明，冲击电流的时间将维持十几ms,考虑到保护后续测量电路的安全，设计了限幅电路，保证测量信号始终在±5 V范围内。电流获取电路如图4所示。

与电压测量相同，采用电压跟随电路以减小信号的衰减和损耗。限幅电路由RC1,U3B,U3C和二极管D1,D2组成，其中RC1 为限流电阻。当输入信号Ui 处于[-5 V,5 V]范围内，U3B,U3C的输出均为正饱和电压，此时D1,D2均截止，输出信号Uo=Ui.当输入信号Ui不在[-5 V,5 V]范围内时：

(1)当输入信号Ui>5 V 时，U3C 的输出为负饱和电压，此时D1导通，U3C成为跟随电路，输出信号Uo=5 V.

(2)同理，当输入信号Ui-5 V时，U3B的输出为低电平饱和电压，此时D2导通，U3B 成为跟随电路，输出信号Uo=-5 V.由此，限幅电路将输入信号限制在了[-5 V ,5 V]范围内，且信号不会失真。

与电压获取电路相似，在限幅电路后将信号进行整流处理，之后将送入核心处理器的A/D采样环节。1.3 数据采集与存储模块

数据采集的部分采用了LPC2103内置的10位A/D,将经过调理的三相电信号提供给其A/D引脚即可。

根据数据采集系统的设计要求，本设计开发的数据采集系统，将在不方便与上位机通信的情况下，能够在下位机中保存大量的实时数据。由于采集模块采用了LPC2103内置的10位A/D,其A/D数据寄存器为32位寄存器，为节省数据运算时间和提高采样频率，每次采样的结果保留低16位，即每个采样点的数据为16 b=2 B.系统将采样频率设置为1 0