基于STM8S207的異步電機實驗數(shù)據(jù)采集器設計

江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院　肖永松　馮　偉

0　引言

“電機拖動基礎”課程是自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課，不僅理論性很強，同時還涉及到大量的生產實踐內容[1]，實驗教學是必不可少的重要環(huán)節(jié)，由于電機運行時電、磁、力、熱等多個領域的物理定律共同作用，相互制約是學生們公認難學的課程之一[2]，學生在電機的實驗過程中，往往需要記錄比較多的數(shù)據(jù)才可能準確獲知電機的工作特性，進而深入理解相關理論知識。然而依靠傳統(tǒng)的人工記錄大量數(shù)據(jù)的過程不但枯燥、耗時、費力而且還有可能遺漏一些關鍵的特征點，學生往往無法在規(guī)定時間內有效完成既定的實驗內容。

本文基于浙江求是科教設備有限公司的BMEL大功率電機系統(tǒng)教學實驗裝置，采用STM8S207單片機和電壓、電流變送器以及無線串口模塊設計可實時采集電機運行狀態(tài)并通過無線串口接收上位機指令后根據(jù)指令功能將數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件進行保存和實時曲線繪制等進一步的處理。實驗結果表明，通過該系統(tǒng)可以極大縮短實驗時間，采集到的足夠多數(shù)據(jù)可確保對電機性能進行準確分析，顯著提升實驗效果。

1　系統(tǒng)設計

以三相異步電動機的工作特性實驗為例，為了準確描述其工作特性，實驗過程中需要測定的數(shù)據(jù)分別包括空載、短路和負載調節(jié)時的電動機相電壓U1、相電流I1、三相功率P、電機轉速n、輸出轉矩T，其中電壓和電流的測取選擇成品化的電壓變送器和電流變送器模塊直接將相電壓和電流轉換成0-5V的電壓信號送給單片機采樣，而功率、轉速和轉矩則可以直接通過實驗裝置配備的JN338MA型轉矩轉速測量儀上的RS-232接口實時讀取。然后再利用無線串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機端的無線模塊接收和處理。采集器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

2　硬件設計

數(shù)據(jù)采集器需要完成的工作主要為數(shù)據(jù)采集和通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)，對于單片機的硬件資源要求主要包含：6個ADC轉換通道用來采集電壓和電流信號，一個UART通信口讀取轉速轉矩儀上的轉速、轉矩和功率，一個UART通信口用于無線串口模塊通信，以及幾個GPIO用于基本功能的按鍵輸入和輸出指示等，STM8S207S6T6是一款高性能、低功耗的單片機[3]，其內置的9個通道10 bits ADC，2個UART接口以及多達34個GPIO，可以滿足本設計的要求，單片機與主要功能模塊連接的具體電路如圖2所示。

圖2　單片機外圍電路

單片機UART1連接的轉速轉矩測量儀JN338M-A通過RS232接口接收單片發(fā)出的數(shù)據(jù)讀取指令20H后將以ASCII碼方式向單片機返回測量到的數(shù)據(jù)，每次返回的測量數(shù)據(jù)共有15個字節(jié)，從低到高位，每5個字節(jié)依次表示電機的轉矩值、轉速值和功率值，如圖3所示。

圖3　JN338M-A發(fā)送數(shù)據(jù)結構

每一個測量數(shù)據(jù)均為科學計數(shù)法表示的浮點數(shù)，構成每個數(shù)據(jù)的5個字節(jié)中，前4個字節(jié)表示尾數(shù)，后一個字節(jié)包含數(shù)據(jù)的符號以及階碼信息。結合測量到的電壓和電流值，以同樣編碼方式，再經(jīng)由UART3連接的無線串口發(fā)送給上位機。

本數(shù)據(jù)采集器選擇采用基于SX1278射頻芯片的無線串口模塊來實現(xiàn)下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，具體為成都億佰特公司的E32-TTL系列無線串口模塊實現(xiàn)。該模塊工作在免費的410-441MHZ頻段，并支持LoRa擴頻技術，支持地址功能，總共可配置65536個地址，支持定點發(fā)射和廣播傳輸功能，既可以點對點通信，也便于所有的節(jié)點一起組網(wǎng)，并且具有抗干擾強、通訊距離遠、穿透能力強、體積小等優(yōu)勢，非常適合本數(shù)據(jù)采集器的需求。

對于數(shù)據(jù)采集器的電源設計，由于教學實驗裝置的控制臺內部有直流的24V開關電源可以給電壓和電流變送器提供電源，因此單片機系統(tǒng)也采用此電源，經(jīng)過防反接，防超壓和防浪涌等電路設計后得到穩(wěn)定的5V工作電壓，具體的電源電路如圖3所示。

在24V電壓輸入端串接兩個二極管D2和D5可以防止電源反接燒壞電路，經(jīng)共模電感T1對電磁干擾信號過濾后再送穩(wěn)壓芯片LM2575S-5得到單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定工作電壓。此電源設計能有效將單片機系統(tǒng)和外部電源隔離，提升硬件電路的安全性[4]。

圖3　電源模塊電路

圖4　主程序流程

3　軟件設計

數(shù)據(jù)采集器軟件主程序流程如圖4所示，在初始化階段完成的工作主要包括對用到的GPIO、ADC通道、兩個UART接口、定時器以及片內EEPROM的初始化，正常運行后依次讀取變送器的信號以及轉速、轉矩和功率值，最后判斷UART3是否接收到讀取數(shù)據(jù)的指令并做出反饋數(shù)據(jù)或繼續(xù)下一個循環(huán)的數(shù)據(jù)讀取動作。

4　結語

本設計基于單片機技術和無線串口模塊對現(xiàn)有實驗裝置進行改造，使數(shù)據(jù)采集效率大為提升，進一步結合上位機軟件還可開發(fā)出簡潔、直觀的人機交互界面，實時展示出正在測量的電機工作特性曲線，幫助學生高質高效完成實驗內容。

[1]李紅利,修春波,馬欣.”電機及拖動基礎”課程教學改革研究[J].電氣電子教學學報,2017,39(4):73-75.

[2]陳亞愛,周京華.電機與拖動基礎及MATLAB仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[3]周伯俊,姜平.基于STM8S207SB的遠程無線通信模塊設計[J].儀表技術,2012(10):33-35.

[4]肖永松.基于STM8S103的壓力控制器設計[J].自動化與儀表,2017,32(9):24-26.