基于STM32的勵(lì)磁裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張曉藝，張文玲，楊彥杰，何州

（1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300131；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300131）

勵(lì)磁裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障錄波有著重要意義[1]。數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性直接影響系統(tǒng)狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性和快速性。采集系統(tǒng)獲得的各類數(shù)據(jù)可作為后續(xù)故障識(shí)別以及故障預(yù)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源?？紤]到設(shè)計(jì)成本和后續(xù)應(yīng)用的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選擇STM32F407ZGT6作為主處理器（MCU），結(jié)合其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）資源，設(shè)計(jì)了電平偏置電路、勵(lì)磁電壓和電流采集電路、機(jī)端電壓和電流電路、CAN通訊電路、供電電路等，主要采集勵(lì)磁整流橋的輸出波動(dòng)直流電壓、電流和發(fā)電機(jī)機(jī)端三相交流電壓與電流，并利用上位機(jī)LabVIEW顯示，獲得了較好采集波形[2-3]。本設(shè)計(jì)選用的芯片具有強(qiáng)大的外設(shè)功能，且成本低廉，具有廣闊的開發(fā)前景。

1 系統(tǒng)硬件電路

本設(shè)計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)RXEE采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，輸出電流為三相整流橋輸出，勵(lì)磁回路電壓可達(dá)800 V，電流達(dá)300～500 A，勵(lì)磁回路電壓較高，不能直接進(jìn)行信號(hào)采集，需將高壓大電流適配為微處理器可處理的電平[4]。本設(shè)計(jì)選擇STM32F407ZGT6作為MCU，因?yàn)镾TM32F4系列芯片的優(yōu)勢(shì)是新增了數(shù)字信號(hào)處理（DSP）指令以及浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），非常適合于實(shí)時(shí)快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法，如快速傅氏變換（FFT），小波變換（WT），希爾伯特-黃變換（HHT）等。同時(shí)，STM32F4的主頻也提高到168 MHz（具有210DMIPS處理能力），使得STM32F4系列MCU非常適合需要浮點(diǎn)運(yùn)算或DSP處理的應(yīng)用。整個(gè)采集系統(tǒng)由主控制模塊、一系列模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電路、通訊模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊構(gòu)成[5]。勵(lì)磁采集系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of excitation acquisition system

1.1 STM32F407ZGT6簡(jiǎn)介

STM32F4是意法半導(dǎo)體（ST）公司在2011年推出的基于Cortex M4內(nèi)核的系列產(chǎn)品[6]。STM32-F407ZGT6配置非常強(qiáng)大，它擁有的資源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM，1 024 KB FLASH；12個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)32位定時(shí)器，2個(gè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）控制器（共16個(gè)通道），3個(gè)串行外設(shè)接口（SPI），2個(gè)全雙工集成電路內(nèi)置音頻總線（I2S），3個(gè)內(nèi)部集成電路（IIC），6個(gè)串口，2個(gè)USB（支持HOST/SLAVE），2個(gè)CAN，3個(gè)獨(dú)立12位ADC，2個(gè)12位DAC，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC，帶日歷功能）；安全數(shù)字輸入/輸出接口（SDIO）接口、靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（FSMC）接口、10/100M以太網(wǎng)MAC（media access control）控制器、攝像頭接口、硬件隨機(jī)數(shù)生成器各1個(gè)；112個(gè)通用IO口，支持串行（SWD）、JTAG 調(diào)試等[7]。

1.2 勵(lì)磁電壓電流采集電路

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓電流為交流信號(hào)，勵(lì)磁電壓為波動(dòng)直流，均會(huì)出現(xiàn)過(guò)零現(xiàn)象，為了使信號(hào)在STM32F407內(nèi)部ADC適配電壓范圍0～3.3 V內(nèi)，現(xiàn)進(jìn)行如圖2所示電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)平移[3，8]。

圖2 電平平移電路Fig.2 Level shift circuit

根據(jù)疊加原理，可得出輸出電壓Uout與Uin，Uref的關(guān)系為

式中：Uin為輸入電壓；Uref為平移電平。

為滿足ADC電壓范圍0～3.3 V，需滿足如下2個(gè)約束條件：

式中：Uin，max為最大輸入電壓；Uin，min為最小輸入電壓。

本設(shè)計(jì)中，為調(diào)節(jié)方便，取R1=R2=5.1kΩ，R3結(jié)合Uref適當(dāng)選擇。在電路中反相，需在輸入U(xiǎn)in前端加一個(gè)由運(yùn)放構(gòu)成的反相器，Uref一般取負(fù)電壓。

考慮信號(hào)采集電路需要和外部電路具有電氣隔離，以及具有較強(qiáng)的抗干擾能力，勵(lì)磁電壓、電流可用霍耳傳感器轉(zhuǎn)換為小信號(hào)后再進(jìn)行處理。勵(lì)磁電壓可由電壓傳感器LV25-P進(jìn)行電壓縮??；勵(lì)磁電流采用霍耳電流傳感器，轉(zhuǎn)換為4～20 mA小電流信號(hào)。傳感器本身自帶電氣隔離。利用Multisim搭建如圖3所示仿真電路圖，得到仿真曲線在0～3.3 V范圍，符合電平要求。Multisim仿真輸出如圖4所示。

圖3 勵(lì)磁電壓仿真圖Fig.3 Simulation diagram of excitation voltage

圖4 仿真輸出Fig.4 Simulation output

1.3 機(jī)端電壓電流采集電路

發(fā)電機(jī)機(jī)端交流電壓和電流信號(hào)可利用電壓互感器、電流互感器轉(zhuǎn)為100 V和5 A信號(hào)，由于100 V和5 A信號(hào)相對(duì)于STM32系統(tǒng)仍為高壓、大電流，采用二次降壓、變流。選用T70/B 220/5V模塊將100 V電壓轉(zhuǎn)為5 V信號(hào)，TA5A/0.1A母線內(nèi)置式交流互感器將5 A電流變?yōu)?.1 A電流信號(hào)。該模塊均可直接焊接在PCB板上，由于設(shè)計(jì)PCB空間有限，且該電壓、電流變化電路簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)并未放置在PCB板上，實(shí)際測(cè)量需外加相應(yīng)模塊。為獲得更好的電氣隔離，本設(shè)計(jì)擬對(duì)定子電壓采集信號(hào)采用雙極性線性光耦器件HCNR201進(jìn)行電氣隔離處理，HCNR201線性光耦模塊同母線內(nèi)置式交流互感器一樣可直接放置在PCB板上，本設(shè)計(jì)中HCNR201采用DIP8封裝。結(jié)合平移電路、穩(wěn)壓電路等環(huán)節(jié)，可得到機(jī)端電壓采樣電路原理如圖5所示。電流采集由于使用了兩極電流互感器，其電氣隔離效果較好，可以直接進(jìn)行處理，機(jī)端電流采集電路原理如圖6所示。

圖5 機(jī)端電壓采集電路Fig.5 Terminal voltage acquisition circuit

圖6 機(jī)端電流采集電路Fig.6 Machine-side current acquisition circuit

1.4 CAN通訊和電源模塊電路

CAN通訊電路的收發(fā)器選用TI公司生產(chǎn)的芯片VP1050，其工作電壓為5 V，適配MCU工作電壓為3.3 V，引入SN74LVC4245DB電平轉(zhuǎn)換器件。MCU經(jīng)SN74LVC4245DB電平轉(zhuǎn)換后與外部CAN總線相連。用光耦合隔離器件6N137實(shí)現(xiàn)電氣隔離作用，防止外部CAN總線串入高壓時(shí)對(duì)MCU產(chǎn)生危害。CAN通訊接口電路如圖7所示。

圖7 CAN通訊接口電路Fig.7 CAN communication interface circuit

本設(shè)計(jì)采用24 V電源供電，STM32最小系統(tǒng)板載有5 V轉(zhuǎn)3.3 V芯片模塊，故只需提供5 V電壓，運(yùn)算放大器要求電源為±12 V，勵(lì)磁電壓采集模塊LV25-P需要±12 V電壓，允許最大值為±15 V，可共用運(yùn)算放大器電源，綜合考慮簡(jiǎn)化電路復(fù)雜度和PCB空間，選擇用MORNSUN公司的24 V轉(zhuǎn)5 V，±12 V模塊。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用KEIL MDK集成開發(fā)和調(diào)試平臺(tái)。

2.1 ADC配置

本設(shè)計(jì)采用如下采樣配置：ADC多通道雙重模式同步觸發(fā)，DMA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，觸發(fā)方式可選用軟件觸發(fā)、內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)。該方式下，ADC1作為主模數(shù)轉(zhuǎn)換器、ADC2為從模數(shù)轉(zhuǎn)換器，觸發(fā)脈沖會(huì)同時(shí)觸發(fā)ADC1，ADC2，并同時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后生成DMA請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)組內(nèi)；然后進(jìn)入下一組通道，重復(fù)以上過(guò)程；所有通道轉(zhuǎn)換完成后，ADC從第1次轉(zhuǎn)換通道組開始第2次轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)。

2.2 DMA配置

DMA配置主要分為以下幾個(gè)步驟：通道選擇、優(yōu)先級(jí)配置、數(shù)據(jù)傳輸方向、存儲(chǔ)器和外設(shè)數(shù)據(jù)寬度、存儲(chǔ)器和外設(shè)地址是否增量、模式配置、數(shù)據(jù)傳輸量等[9]。本設(shè)計(jì)中ADC的DMA數(shù)據(jù)請(qǐng)求和通道位于DMA2中，配置DMA2數(shù)據(jù)流0、通道0；由于僅1個(gè)DMA請(qǐng)求，優(yōu)先級(jí)可設(shè)定為默認(rèn)值；ADC作為CPU的外設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)橥庠O(shè)到存儲(chǔ)器；寬度為半字；外設(shè)地址（即ADC轉(zhuǎn)換完成存放DR的地址）不變，存儲(chǔ)器地址（自定義的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址）自增1；循環(huán)模式；數(shù)據(jù)傳輸量為4。

配置DMA時(shí)，需要注意外設(shè)地址值和目的地址值的獲得，ADC規(guī)則通道的DR寄存器的內(nèi)存地址為0x40012308，可定義為一地址常量，方便調(diào)用，目的地址值可直接傳遞地址值。DMA模式下，ADC轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位會(huì)作為DMA請(qǐng)求命令，在DMA讀取ADC數(shù)據(jù)后，ADC標(biāo)志位會(huì)自動(dòng)清零，所以ADC的中斷會(huì)失效，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，可用DMA中斷，DMA在傳輸完成后會(huì)產(chǎn)生傳輸完成中斷，利用該中斷信號(hào)，作為CAN郵箱裝載數(shù)據(jù)的標(biāo)志。

2.3 CAN通訊配置

STM32F407ZGT6的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN），具有2個(gè)CAN通訊口，CAN1為主bxCAN，用于管理bxCAN與512字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器之間的通訊；CAN2為從bxCAN，無(wú)法直接訪問(wèn)SRAM存儲(chǔ)器；2個(gè)bxCAN單元共享512字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器。CAN通訊傳輸有以下5種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、錯(cuò)誤幀、遙控幀、間隔幀、過(guò)載幀。本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)幀。

在CAN通信模塊的初始化配置中，波特率是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)[10]。本設(shè)計(jì)中，APB1頻率為42 MHz，配置CAN通訊的預(yù)分頻系數(shù)為6，CAN_BS1配置為7個(gè)CAN周期，CAN_BS2配置為6個(gè)CAN周期，則波特率計(jì)算值為

式中：CAN_Prescaler為預(yù)分頻系數(shù)；CAN_BS1為時(shí)間段1（BS1）定義采樣點(diǎn)的位置；CAN_BS2為時(shí)間段2（BS2）定義發(fā)送點(diǎn)的位置。

初始化CAN通訊之后，配置CAN工作模式及波特率、相關(guān)控制位等，并退出初始化。在CAN通訊接收和發(fā)送采樣差動(dòng)電平時(shí)，硬件連接要注意120 Ω電阻的接入。CAN幀結(jié)構(gòu)配置為：時(shí)間觸發(fā)通信模式禁止，自動(dòng)離線管理禁止，自動(dòng)喚醒模式禁止，允許報(bào)文自動(dòng)重傳，接收FIFO鎖定模式禁止，發(fā)送FIFO優(yōu)先級(jí)由報(bào)文標(biāo)識(shí)符決定，重新同步跳躍寬度為2個(gè)CAN周期。利用USB-CAN適配器及CANTool接收、發(fā)送數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 CAN-Tools接收、發(fā)送數(shù)據(jù)Fig.8 CAN-Tools receive and send data

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

CAN通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)可由Lab-VIEW進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析，查看勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等[3]。信號(hào)波形顯示如圖9所示，信號(hào)波形輸入由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，與上位機(jī)Lab-VIEW通訊由USB-CAN適配器連接[11]。為分析線性光耦的線性度性能，本文獲得了線性光耦器件HCNR201輸入電壓與隔離輸出電壓關(guān)系圖，如圖10所示。圖10是由信號(hào)采集系統(tǒng)輸入直流信號(hào)并讀取STM32采樣值獲得，分析圖9、圖10，線性光耦器件HCNR201在0～1.6 V范圍內(nèi)線性度非常高，在1.6 V以后，由于前端電壓轉(zhuǎn)電流的運(yùn)算放大器工作在比較狀態(tài)下，使得輸出值達(dá)到-12 V，輸入電壓的變化已不影響線性光耦的亮度，即光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電流值基本不變，則輸出電壓值基本不變。

圖9 信號(hào)采集波形顯示Fig.9 Signal acquisition waveforms display

圖10 線性光耦HCNR201輸入U(xiǎn)in與輸出Uout關(guān)系圖Fig.10 Linear photocoupler HCNR201 input Uin and output Uoutrelation diagram

利用上位機(jī)信號(hào)顯示電路可獲得相應(yīng)的波形如圖11。

圖11 上位機(jī)LabVIEW波形顯示Fig.11 LabVIEW waveforms display of upper computer

4 結(jié)論

本文在考慮電氣隔離條件下完成了勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電壓、電流和機(jī)端電壓、電流信號(hào)采集，并利用CAN通訊實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)通訊，利用LabVIEW顯示了實(shí)時(shí)波形。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）勵(lì)磁和機(jī)端電壓、電流波形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)查看。上位機(jī)LabVIEW設(shè)置了友好的用戶界面，可方便調(diào)整顯示。

2）故障錄波和運(yùn)行狀態(tài)記錄。LabVIEW接收到的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到上位機(jī)內(nèi)存中，方便后續(xù)查看運(yùn)行狀態(tài)。

本文實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁裝置主要參數(shù)的信號(hào)采集和波形顯示，主要采集了4路信號(hào)，ADC采樣頻率比CAN通訊的傳輸頻率要高，一定程度上并未充分利用STM32 ADC快速采樣能力，還有許多有待完善之處，下一步計(jì)劃設(shè)計(jì)人機(jī)界面顯示觸發(fā)角、有功功率、無(wú)功功率、頻率等參數(shù)。