摘要：設計了一種基于ARM處理器和μC/OS II的嵌入式電機電物理量采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)選用低噪聲低功耗芯片，對模擬電路進行信號調理和高速采集；采用高性能工業(yè)級ARM微處理器（S3C2410一S），結合軟件算法進行實時數字信號處理。實驗結果表明該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、較高、實時性好等優(yōu)點，能有效的采集電機電流、電壓信號，進而使上位機能更方便的進行電機電物理量分析。

　　引言

　　自19世紀發(fā)明發(fā)電機和電動機以來，由于電能應用方便，電動機的性能優(yōu)良，便于控制，使用與操作簡單，從而得到了迅速普及，應用范圍越來越廣。然而，由于電機運行機制復雜，長期處于高速運轉和高電壓、強磁場環(huán)境之下，運行環(huán)境惡劣，要求電機設備不出故障是不現實的，安全可靠的電機設備也是根本不存在的l1J.這就需要我們能實時的的采集電機在運行中的各種物理量，進而進行有效的分析、判斷故障。傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)多以8/16位單片機構成控制系統(tǒng)，其硬件電路較復雜，集成度較低，設計和調試難度較大，不太方便系統(tǒng)升級。傳統(tǒng)的前后臺式的軟件設計方法限制了硬件系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，影響了系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。

　　1 系統(tǒng)簡介

　　本系統(tǒng)設計采集電機的電壓、電流2個物理量。其中電流3相都要采集。電物理量采集系統(tǒng)的設計關鍵在于A/D轉換的環(huán)節(jié)。A/D轉換器是模擬信號源和CPU之間聯系的接口，它的任務是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機和數字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示。用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。1、同時具有算術運算和邏輯運算功能

　　數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎，使用二進制數字信號，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合于運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。在工業(yè)控制和數據采集及許多其他領域中，A/D轉換是不可缺少的。A/D轉換器有以下類型：逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型、電壓一頻率型。主要應根據使用場合的具體要求，按照轉換速度、、價格、功能以及接口條件等因素決定選擇何種類型。使之范圍控制在0-3.3 V.然后將電信號輸出到A/D轉換器。經CPU的處理將采集到的數據從串口傳送給計算機。

　　2 系統(tǒng)設計

　　2.1 硬件設計

　　該系統(tǒng)主要由前端調理電路、CPU集成電路和計算機組成。基本結構如圖1所示

　　其中由于S3C2410一S的A/D轉換器能接受電壓范圍為O~3.3 V,但電機電信號是成正弦波的圖像分布的。所以前端調理電路設計將電信號的正弦波負半軸對稱折到x軸上方，使之范圍控制在0-3.3 V.產生波形如圖2所示。

　　同時電路里產生一個方波信號。當波形屬于被翻上去的部分時方波處于低電平，其他時候處于高電平。以此方波信號在上位機來還原波形。CPU集成電路包括直流穩(wěn)壓電源電路、A/D電路、主CPU電路和串口電路。A/D電路接受從轉換電路送過來的模擬信號，然后轉換成ARM CPU能接受的數字信號。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等經過處理后從串口電路傳送給上位計算機。

　　2.2 軟件設計

　　2.2.1 μC/OS II操作系統(tǒng)的移植

　　μC/OS II提供的僅僅是一個任務調度的內核，要想實現一個相對完整，實用的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，還需要相當多的擴展性的工作，主要包括：建立文件系統(tǒng)、為外部設備建立驅動程序并規(guī)范相應的API函數創(chuàng)建圖形用戶接口（GUI）函數、建立其他實用的應用程序接口函數等。本系統(tǒng)中基于μC/OS II內核的RTOS軟件系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

　　2.2.2 應用程序的設計

　　該程序采用ADS1.2結合c語言來設計。ADS1.2 ADS是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境軟件，他的功能非常強大。他的前身是SDT,SDT是ARM公司幾年前的開發(fā)環(huán)境軟件，目前SDT早已經不再升級。ADS包括了四個模塊分別是：SIMULATOR;C 編譯器；實時調試器；應用函數庫。ADS的編譯器調試器較SDT都有了非常大的改觀， ADS1.2提供完整的WINDOWS界面開發(fā)環(huán)境。C編譯器效率極高，支持c 以及c++,使工程師可以很方便的使用C語言進行開發(fā)。提供軟件模擬仿真功能，使沒有Emulators的學習者也能夠熟悉ARM的指令系統(tǒng)。配合FFT-ICE使用，ADS1.2提供強大的實時調試跟蹤功能，片內運行情況盡在掌握。ADS1.2需要硬件支持才能發(fā)揮強大功能。首先是系統(tǒng)初始化，根據ARM芯片固有的功能和特征，進行主程序的入口設置，所用寄存器清零，程序ROM區(qū)和數據RAM區(qū)的初始化，中斷矢量設置等主程序運行前的準備工作。以及檢查系統(tǒng)電源，監(jiān)視芯片上電后的ARM芯片內的硬件運行情況。當ARM芯片運行正常后，進人數據采集軟件的主程序運行。流程圖如圖4所示。

　　1）AD數據采集。A/D轉換的數據可以通過中斷或查詢的方式來訪問，如果是用中斷方式，全部的轉換時間（從A/D轉換的開始到數據讀出）要更長，因為中斷服務程序返回和數據的訪問的原因，所以采用查詢方式不斷檢測ADCCONt3j來確定從ADCDAT寄存器讀取的數據是否是的轉換數據。

　　主要代碼有：

　　#define PRSCVL（20《6）

　　#define ADCCON

　　_

　　ENABLE_ START（Ox1）

　　#define STDBM （0x0《2）

　　#define PRSCEN（0xl《l41

　　void init

　　_ ADdevice0 //AD設備初始化

　　{

　　rADCCON=（PRSCVLlADCCON_ENABLE_STARTISTDBMIPRSCEN）；

　　）

　　int GetADresuh（int channe1）

　　{

　　rADCCON=ADCCON

　　- ENABLE- START-BYREADI（channel《3）IPRSCENIPRSCVL;

　　while（！frADCCON&ADCCON-FLAG））； //AD轉換結束

　　return f0x3ff&rADCDATO）； //返回采樣值

　　}

　　2）數據發(fā)送。異步串行方式是將傳輸數據的每個字符一位接一位（例如先低位、后高位）地傳送。數據的各不同位可以分時使用同一傳輸通道，因此串行I/O 可以減少信號連線，少用一對線即可進行。接收方對于同一根線上一連串的數字信號，首先要分割成位，再按位組成字符。為了恢復發(fā)送的信息，雙方必須協(xié)調工作。在微型計算機中大量使用異步串行I/O 方式，雙方使用各自的時鐘信號，而且允許時鐘頻率有一定誤差。因此實現較容易。主要代碼有：

　　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 結論

　　采集數據分4路，1路電壓和3路的電流。采集時上位機接收到的數據每路每個周期有52個點。既其采樣頻率達到了2 600 Hz.根據奈奎斯特定理，為了完整的保留原始信號中的信息，在進行模擬/數字信號的轉換過程中，要使采樣頻率大于信號中頻率2倍。 所以本系統(tǒng)能分析的諧波頻率為1.3 kHz,即1-3 kHz/50 Hz:26次諧波。足夠滿足上位機做諧波分析的要求。以S3C2410一S為的嵌入式硬件系統(tǒng)，并采用ADS開發(fā)相應的應用程序，串口方式實現通信，實現了電機物理量的采集，給上位機分析電機提供了可靠的保障。并且該系統(tǒng)采用的ARM核的微控制器也使之較傳統(tǒng)的系統(tǒng)在可靠性、體積、功耗、性價比等方面都具有明顯的優(yōu)勢，使之有廣泛的應用前景和價值。