基于STM8S207的异步电机实验数据采集器设计

江南大学物联网工程学院　肖永松　冯　伟

0　引言

“电机拖动基础”课程是自动化专业的专业基础课，不仅理论性很强，同时还涉及到大量的生产实践内容[1]，实验教学是必不可少的重要环节，由于电机运行时电、磁、力、热等多个领域的物理定律共同作用，相互制约是学生们公认难学的课程之一[2]，学生在电机的实验过程中，往往需要记录比较多的数据才可能准确获知电机的工作特性，进而深入理解相关理论知识。然而依靠传统的人工记录大量数据的过程不但枯燥、耗时、费力而且还有可能遗漏一些关键的特征点，学生往往无法在规定时间内有效完成既定的实验内容。

本文基于浙江求是科教设备有限公司的BMEL大功率电机系统教学实验装置，采用STM8S207单片机和电压、电流变送器以及无线串口模块设计可实时采集电机运行状态并通过无线串口接收上位机指令后根据指令功能将数据上传到上位机软件进行保存和实时曲线绘制等进一步的处理。实验结果表明，通过该系统可以极大缩短实验时间，采集到的足够多数据可确保对电机性能进行准确分析，显著提升实验效果。

1　系统设计

以三相异步电动机的工作特性实验为例，为了准确描述其工作特性，实验过程中需要测定的数据分别包括空载、短路和负载调节时的电动机相电压U1、相电流I1、三相功率P、电机转速n、输出转矩T，其中电压和电流的测取选择成品化的电压变送器和电流变送器模块直接将相电压和电流转换成0-5V的电压信号送给单片机采样，而功率、转速和转矩则可以直接通过实验装置配备的JN338MA型转矩转速测量仪上的RS-232接口实时读取。然后再利用无线串口模块将数据传输给上位机端的无线模块接收和处理。采集器系统框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2　硬件设计

数据采集器需要完成的工作主要为数据采集和通过串口收发数据，对于单片机的硬件资源要求主要包含：6个ADC转换通道用来采集电压和电流信号，一个UART通信口读取转速转矩仪上的转速、转矩和功率，一个UART通信口用于无线串口模块通信，以及几个GPIO用于基本功能的按键输入和输出指示等，STM8S207S6T6是一款高性能、低功耗的单片机[3]，其内置的9个通道10 bits ADC，2个UART接口以及多达34个GPIO，可以满足本设计的要求，单片机与主要功能模块连接的具体电路如图2所示。

图2　单片机外围电路

单片机UART1连接的转速转矩测量仪JN338M-A通过RS232接口接收单片发出的数据读取指令20H后将以ASCII码方式向单片机返回测量到的数据，每次返回的测量数据共有15个字节，从低到高位，每5个字节依次表示电机的转矩值、转速值和功率值，如图3所示。

图3　JN338M-A发送数据结构

每一个测量数据均为科学计数法表示的浮点数，构成每个数据的5个字节中，前4个字节表示尾数，后一个字节包含数据的符号以及阶码信息。结合测量到的电压和电流值，以同样编码方式，再经由UART3连接的无线串口发送给上位机。

本数据采集器选择采用基于SX1278射频芯片的无线串口模块来实现下位机和上位机之间的数据传输，具体为成都亿佰特公司的E32-TTL系列无线串口模块实现。该模块工作在免费的410-441MHZ频段，并支持LoRa扩频技术，支持地址功能，总共可配置65536个地址，支持定点发射和广播传输功能，既可以点对点通信，也便于所有的节点一起组网，并且具有抗干扰强、通讯距离远、穿透能力强、体积小等优势，非常适合本数据采集器的需求。

对于数据采集器的电源设计，由于教学实验装置的控制台内部有直流的24V开关电源可以给电压和电流变送器提供电源，因此单片机系统也采用此电源，经过防反接，防超压和防浪涌等电路设计后得到稳定的5V工作电压，具体的电源电路如图3所示。

在24V电压输入端串接两个二极管D2和D5可以防止电源反接烧坏电路，经共模电感T1对电磁干扰信号过滤后再送稳压芯片LM2575S-5得到单片机系统的稳定工作电压。此电源设计能有效将单片机系统和外部电源隔离，提升硬件电路的安全性[4]。

图3　电源模块电路

图4　主程序流程

3　软件设计

数据采集器软件主程序流程如图4所示，在初始化阶段完成的工作主要包括对用到的GPIO、ADC通道、两个UART接口、定时器以及片内EEPROM的初始化，正常运行后依次读取变送器的信号以及转速、转矩和功率值，最后判断UART3是否接收到读取数据的指令并做出反馈数据或继续下一个循环的数据读取动作。

4　结语

本设计基于单片机技术和无线串口模块对现有实验装置进行改造，使数据采集效率大为提升，进一步结合上位机软件还可开发出简洁、直观的人机交互界面，实时展示出正在测量的电机工作特性曲线，帮助学生高质高效完成实验内容。

[1]李红利,修春波,马欣.”电机及拖动基础”课程教学改革研究[J].电气电子教学学报,2017,39(4):73-75.

[2]陈亚爱,周京华.电机与拖动基础及MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3]周伯俊,姜平.基于STM8S207SB的远程无线通信模块设计[J].仪表技术,2012(10):33-35.

[4]肖永松.基于STM8S103的压力控制器设计[J].自动化与仪表,2017,32(9):24-26.