江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院　肖永松　馮　偉

0　引言

“電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅理論性很強(qiáng)，同時(shí)還涉及到大量的生產(chǎn)實(shí)踐內(nèi)容[1]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的重要環(huán)節(jié)，由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)電、磁、力、熱等多個(gè)領(lǐng)域的物理定律共同作用，相互制約是學(xué)生們公認(rèn)難學(xué)的課程之一[2]，學(xué)生在電機(jī)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，往往需要記錄比較多的數(shù)據(jù)才可能準(zhǔn)確獲知電機(jī)的工作特性，進(jìn)而深入理解相關(guān)理論知識(shí)。然而依靠傳統(tǒng)的人工記錄大量數(shù)據(jù)的過(guò)程不但枯燥、耗時(shí)、費(fèi)力而且還有可能遺漏一些關(guān)鍵的特征點(diǎn)，學(xué)生往往無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有效完成既定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

本文基于浙江求是科教設(shè)備有限公司的BMEL大功率電機(jī)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，采用STM8S207單片機(jī)和電壓、電流變送器以及無(wú)線串口模塊設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)采集電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并通過(guò)無(wú)線串口接收上位機(jī)指令后根據(jù)指令功能將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)軟件進(jìn)行保存和實(shí)時(shí)曲線繪制等進(jìn)一步的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該系統(tǒng)可以極大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，采集到的足夠多數(shù)據(jù)可確保對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析，顯著提升實(shí)驗(yàn)效果。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性實(shí)驗(yàn)為例，為了準(zhǔn)確描述其工作特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)定的數(shù)據(jù)分別包括空載、短路和負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)的電動(dòng)機(jī)相電壓U1、相電流I1、三相功率P、電機(jī)轉(zhuǎn)速n、輸出轉(zhuǎn)矩T，其中電壓和電流的測(cè)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(zhuǎn)換成0-5V的電壓信號(hào)送給單片機(jī)采樣，而功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則可以直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置配備的JN338MA型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x上的RS-232接口實(shí)時(shí)讀取。然后再利用無(wú)線串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)端的無(wú)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(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

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(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)于單片機(jī)的硬件資源要求主要包含：6個(gè)ADC轉(zhuǎn)換通道用來(lái)采集電壓和電流信號(hào)，一個(gè)UART通信口讀取轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀上的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，一個(gè)UART通信口用于無(wú)線串口模塊通信，以及幾個(gè)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(jī)[3]，其內(nèi)置的9個(gè)通道10 bits ADC，2個(gè)UART接口以及多達(dá)34個(gè)GPIO，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)與主要功能模塊連接的具體電路如圖2所示。

圖2　單片機(jī)外圍電路

單片機(jī)UART1連接的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)xJN338M-A通過(guò)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(jī)返回測(cè)量到的數(shù)據(jù)，每次返回的測(cè)量數(shù)據(jù)共有15個(gè)字節(jié)，從低到高位，每5個(gè)字節(jié)依次表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值、轉(zhuǎn)速值和功率值，如圖3所示。

圖3　JN338M-A發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)均為科學(xué)計(jì)數(shù)法表示的浮點(diǎn)數(shù)，構(gòu)成每個(gè)數(shù)據(jù)的5個(gè)字節(jié)中，前4個(gè)字節(jié)表示尾數(shù)，后一個(gè)字節(jié)包含數(shù)據(jù)的符號(hào)以及階碼信息。結(jié)合測(cè)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(wú)線串口發(fā)送給上位機(jī)。

本數(shù)據(jù)采集器選擇采用基于SX1278射頻芯片的無(wú)線串口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)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(wú)線串口模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊工作在免費(fèi)的410-441MHZ頻段，并支持LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，支持地址功能，總共可配置65536個(gè)地址，支持定點(diǎn)發(fā)射和廣播傳輸功能，既可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也便于所有的節(jié)點(diǎn)一起組網(wǎng)，并且具有抗干擾強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，非常適合本數(shù)據(jù)采集器的需求。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集器的電源設(shè)計(jì)，由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的控制臺(tái)內(nèi)部有直流的24V開關(guān)電源可以給電壓和電流變送器提供電源，因此單片機(jī)系統(tǒng)也采用此電源，經(jīng)過(guò)防反接，防超壓和防浪涌等電路設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)電磁干擾信號(hào)過(guò)濾后再送穩(wěn)壓芯片LM2575S-5得到單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作電壓。此電源設(shè)計(jì)能有效將單片機(jī)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(shè)計(jì)

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(duì)用到的GPIO、ADC通道、兩個(gè)UART接口、定時(shí)器以及片內(nèi)EEPROM的初始化，正常運(yùn)行后依次讀取變送器的信號(hào)以及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)讀取動(dòng)作。

4　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)和無(wú)線串口模塊對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，使數(shù)據(jù)采集效率大為提升，進(jìn)一步結(jié)合上位機(jī)軟件還可開發(fā)出簡(jiǎn)潔、直觀的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)展示出正在測(cè)量的電機(jī)工作特性曲線，幫助學(xué)生高質(zhì)高效完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

[1]李紅利,修春波,馬欣.”電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2017,39(4):73-75.

[2]陳亞愛,周京華.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)及MATLAB仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]周伯俊,姜平.基于STM8S207SB的遠(yuǎn)程無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù),2012(10):33-35.

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