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

與電壓測量相同，采用電壓跟隨電路以減小信號的衰減和損耗。限幅電路由RC1,U3B,U3C和二極管D1,D2組成，其中RC1 為限流電阻。當(dāng)輸入信號Ui 處于[-5 V,5 V]范圍內(nèi)，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時D1,D2均截止，輸出信號Uo=Ui.當(dāng)輸入信號Ui不在[-5 V,5 V]范圍內(nèi)時：

(1)當(dāng)輸入信號Ui>5 V 時，U3C 的輸出為負(fù)飽和電壓，此時D1導(dǎo)通，U3C成為跟隨電路，輸出信號Uo=5 V.

(2)同理，當(dāng)輸入信號Ui-5 V時，U3B的輸出為低電平飽和電壓，此時D2導(dǎo)通，U3B 成為跟隨電路，輸出信號Uo=-5 V.由此，限幅電路將輸入信號限制在了[-5 V ,5 V]范圍內(nèi)，且信號不會失真。

與電壓獲取電路相似，在限幅電路后將信號進行整流處理，之后將送入核心處理器的A/D采樣環(huán)節(jié)。1.3 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

數(shù)據(jù)采集的部分采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,將經(jīng)過調(diào)理的三相電信號提供給其A/D引腳即可。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，本設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將在不方便與上位機通信的情況下，能夠在下位機中保存大量的實時數(shù)據(jù)。由于采集模塊采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,其A/D數(shù)據(jù)寄存器為32位寄存器，為節(jié)省數(shù)據(jù)運算時間和提高采樣頻率，每次采樣的結(jié)果保留低16位，即每個采樣點的數(shù)據(jù)為16 b=2 B.系統(tǒng)將采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz,在這樣的采樣頻率下，8 通道1 s采集的數(shù)據(jù)量：1 024 × 8 × 2 B = 16 KB ,考慮到長時間采集下的較大數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)存儲時的高傳輸率，數(shù)據(jù)的存儲使用SD卡完成。

SD卡與微控制器之間的通信有SD和SPI兩種接口模式[4],由于LPC2103內(nèi)部擁有串行外設(shè)SPI總線，且使用SPI總線時能夠節(jié)省主控制器的I/O 資源，因此本設(shè)計采用SPI接口方式實現(xiàn)SD卡與主控制器的通信，接口電路如圖5所示。

將LPC2103 配置為主機，SD 卡為從機，在SPI模式下完成數(shù)據(jù)傳輸。控制器的GPIO 端口P0.9連接SD 卡片選線SD_CS;主控制器時鐘信號線SCK0 連接SD 卡SCK 引腳，保證主從設(shè)備間的時鐘同步;控制器的主機輸出從機輸入線MOSI連接SD卡的數(shù)據(jù)輸入;控制器的主機輸入從機輸出線MISO 連接SD 卡的數(shù)據(jù)輸出信號線。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

用戶通過按鍵選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行模式。運行模式1,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機;運行模式2,系統(tǒng)采集三相電信號，并將實時數(shù)據(jù)保存至SD 卡，不與上位機進行通信。主程序流程圖如圖6所示。

程序的初始化主要包括：GPIO端口、定時器模塊、A/D 模塊、SPI接口單元、UART接口單元、SD卡等6大模塊。對SD卡的操作按照其數(shù)據(jù)手冊，通過主控制器發(fā)送給SD 卡相應(yīng)的命令來完成。SPI模式下，SD卡的指令由6 B組成，主控制器向SD卡發(fā)送指令時，高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后。操作流程如圖7所示。

本設(shè)計使用了文件系統(tǒng)為FAT16 類型的SD 卡。FAT16 文件系統(tǒng)的系統(tǒng)分區(qū)由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT 表、FDT表和文件數(shù)據(jù)區(qū)四大部分組成，數(shù)據(jù)的讀/寫均以扇區(qū)為單位。由于SD 卡系統(tǒng)分區(qū)的前三部分是十分重要的，一般不能將數(shù)據(jù)寫入這三部分所在的扇區(qū)內(nèi)，否則會使得SD卡無法被電腦識別，因此在向SD卡寫入數(shù)據(jù)前，首先需找到引導(dǎo)扇區(qū)的位置，并根據(jù)其中的內(nèi)容計算FAT、FDT 以及數(shù)據(jù)簇的起始地址和大小。為節(jié)省LPC2103 的內(nèi)存，設(shè)置SD 卡寫數(shù)據(jù)為單塊寫模式。寫SD同樣要遵循SD卡寫塊時序。

3 測試結(jié)果

本設(shè)計的上位機數(shù)據(jù)測試軟件在LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)，針對串口發(fā)送的數(shù)據(jù)和保存在SD 卡中的實時數(shù)據(jù)進行不同的開發(fā)，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)測試軟件將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至[-5 V,5 V]之間進行顯示。圖中，通過標(biāo)定換算，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。

因此，方案所設(shè)計的三相電信號