【正文】 ：信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信技術(shù)。同時(shí)利用無線通信 ZigBee 技術(shù)將判定結(jié)果實(shí)時(shí)的發(fā)送至遠(yuǎn)端的上位機(jī) 主站 。 其連接示意圖如圖 所示。同時(shí)利用無線通信 ZigBee 技術(shù)將判定結(jié)果實(shí)時(shí)的發(fā)送至遠(yuǎn)端的上位機(jī) 主站 。傳感器信號(hào)輸出具有兩線聯(lián)接特征，信號(hào)輸出線與供傳感器工作用的恒流源輸入線為同一根線，另一根線為地線。 本文用到了微處理器中 ADC16 位數(shù)據(jù)采樣、 DMA 接口、 UART 串口通信、定時(shí)器。 DMA 接口的作用是與 ADC 協(xié)同工作，將 ADC 輸出數(shù)據(jù)在不經(jīng)過處理器指令而直接寫入指定的 XRAM 區(qū)域。 UART0 提供四種工作方式，四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。 ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的 無線通信 技術(shù)。 本文所采用 ZigBee 模塊是基于 ZigBee20xx 協(xié)議，可視傳輸距離可達(dá) 1600 米的ZigBee 技術(shù)應(yīng)用，該模塊具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能，所有的模塊上電即自動(dòng)組 網(wǎng)。 ZigBee 模塊參數(shù)如下： 輸入電壓范圍： ，標(biāo)準(zhǔn)電壓 ； 串口速率可設(shè)置 9600bps， 19200bps， 38400bps， 57600bps， 115200bps； 無線頻率： (2460MHz)； 傳輸距離：可視，開闊，傳輸距離 1600 米； 工作電流：發(fā)射： 120mA（最大）， 80MA（平均） ， 接收： 45mA（最大）， 待機(jī)： 40MA（最大）； 接口： UART 。在本設(shè)計(jì)中用 IA_S2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)直流 5V 轉(zhuǎn) 24V、177。 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器采用厚膜電路、高效的穩(wěn)壓芯片、陶 瓷電容，全 SMT加工工藝，性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠。外圍應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，固定電壓版本只需要輸入輸出兩個(gè)電容和負(fù)載。 MarkSOT2231 2 3 圖 AS1117 引腳排列圖 AS1117 固定版本典型應(yīng)用如圖 所示。 M C 1 4 0 38 7 6 51 2 3 4V i n V o u t G N DN CN CN CN CN C 圖 MC1403 引腳排列圖 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 8 軟件設(shè)計(jì)方案 振動(dòng)識(shí)別單元由安裝在桿塔上的傳感器模塊 +微處理器 +ZigBee 無線通信 +PC 監(jiān)控中心組成，軟件設(shè)計(jì)涉及到對(duì)信號(hào)的采樣，采樣數(shù)據(jù)的運(yùn)算，及與遠(yuǎn)端上位機(jī)的通信程序。 開 始局 部 采 樣振 動(dòng) 預(yù) 判 斷完 整 采 樣F F T 變 換有 無 振 動(dòng)發(fā) 送 振 動(dòng) 識(shí) 別 信 息有 無 上 位 機(jī) 召 喚 指 令發(fā) 送 當(dāng) 前 信 息結(jié) 束無有無無有有 圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖 從圖中可知，軟件設(shè)計(jì)部分也涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)主要具體功能，信號(hào)采集部分，數(shù)據(jù)處理部分，以及信息通信部分。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路，讓 我們?cè)谧鱿到y(tǒng)之前有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，能更好更清晰的去完成每一個(gè)環(huán)節(jié)。 5V， ， 的電源。為后期的 使用提供更多的選擇 。 IA0505S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標(biāo)稱值 5V，輸出電壓標(biāo)稱值 5VDC? ，輸出電流 o20 m A I 20 0 m A?? 。供 C8051F060使用。一般用作需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合。 整個(gè)調(diào)理電路是由電流穩(wěn)壓電路、放大電路、濾波電路、跟隨與限幅電路、減法與反相電路組成。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 13 3261 574U21KR3+12V12VC2C3R220KRV1C1Single_In1Single_Out1 圖 信號(hào)放大電路 其放大的輸出信號(hào) outS 計(jì)算式為： 31out3 inR RVSSR?? () 因此電路的放大倍數(shù)為 ? ?3 1 3VA R RV R? ?? 。 電路功能：采用二階有源低通濾波器，濾去信號(hào)中的高頻部分。 3261 574U4C28R5+12V12VC10C81uFC7R4Single_In2Single_Out2 圖 濾波電路 仿真： 如 圖 所示為濾波電路在 Multisim 中仿真 結(jié)果圖 。 電路功能：限幅 、分壓，限制輸出信號(hào)的幅值，并使信號(hào)輸出幅值在一定的范圍內(nèi)，主要是滿足單片機(jī)采樣引腳輸入電壓范圍為 之 間的硬件要 求，使輸出信號(hào)為單片機(jī)可用的有效信號(hào) 。輸入為 50HZ、 10V 的正弦波形。 數(shù)據(jù)采集時(shí)， C8051F060 的內(nèi)部硬件資源使用如下圖 所示。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 16 JTAG 調(diào)試接口 圖 所示為單片機(jī) JTAG 調(diào)試外圍接口電路，片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片 內(nèi)資源）、全速、在線調(diào)試?？梢允褂?OSCICN 和 OSCICL 寄存器來使能 /禁止和校準(zhǔn)內(nèi)部振蕩器。 Y133pFC3133pFC32XTAL1XTAL2 圖 晶體振蕩電路 通訊模塊的實(shí)現(xiàn) 整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要采用 ZigBee 傳輸，下位機(jī)與上位機(jī)的通信直接采用集成的 ZigBee 模塊。 1234567891 01 11 21234567891 01 11 2J 1J 2D e b u g _ DD e b u g _ CP 1 . 7P 2 . 0P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 3P 1 . 4L E D _ 2P 1 . 2N CN C 3 . 3 V i nG N DL E D _ 1P 0 . 7P 0 . 6R T SC T ST XR XS W 1P 0 . 0R e s e t _ N Z i g B e e 模 塊1 1 9 7 5 3 11 2 1 0 8 6 4 2J 11 1 9 7 5 3 11 2 1 0 8 6 4 2J 2 圖 ZigBee 模塊引腳圖 本章總結(jié) 本章主要介紹了輸電桿塔整棟識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。最大幅值的大小一定程度上反應(yīng)輸電桿塔的振動(dòng) 劇烈程度。 ? data_receive[]：數(shù)組，用于存儲(chǔ)接 收到的數(shù)據(jù)。之后啟動(dòng)定時(shí)器 3(TR3=1)，定時(shí)器初始設(shè)置為自動(dòng)重裝方式，溢出時(shí)使能啟動(dòng) ADC0 轉(zhuǎn)換，因此定時(shí)器每溢出一次，ADC0 轉(zhuǎn)換一次。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 19 關(guān) 閉 看 門 狗D M A 0 I N T = 1 ？ D M A 0 完 成 工 作 ， 采 樣完 畢 ？N U M _ S A M P L E S = 2 5 6 （ 少 量 局 部 采 樣 ）f l a g _ c y = 1采 樣 完 畢 ， 進(jìn) 行 F F T 分 析 ， 得 出 最 大幅 值 l a r g e _ p e a k系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 初 始 化交 叉 開 關(guān) 端 口 配 置 初 始 化串 口 初 始 化A D C 0 初 始 化D M A 0 初 始 化T i m e r 3 初 始 化I f ( f l a g _ c y ) = 0 ?T R 3 = 1 ， 開 啟 T 3 ， 溢 出 時(shí) 啟 動(dòng) A D C 0 采 樣N U M _ S A M P L E S = 9 6 0 0 （ 完 整 采 樣 ）f l a g _ c y = 0YN調(diào) 用 j u d g e _ s h a k e 函 數(shù) ， 判 斷 振 動(dòng) 與 否 ，s h a k e _ y e s = 1 ?YNYI f ( f l a g _ c y ) = 0 ?發(fā) 送 振 動(dòng) 信 息YN有 無 上 位 機(jī) 召 喚 指 令發(fā) 送 當(dāng) 前 信 息結(jié) 束N 圖 程序流程圖 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 20 單片機(jī)相關(guān)配置 端口配置 C8051F060 端口配置中有優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器，簡(jiǎn)稱為“交叉開關(guān)”，其作用是按優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝?0～ 3 的引腳分配給器件上的數(shù)字外設(shè)，如 UART、 SMBus、 PCA、定時(shí)器等。當(dāng) UART0EN 為 1 時(shí)，使能 UART0 的 TX0 連到 ， RX0 連到 ?？梢岳斫鉃橥仆燧敵隹梢暂敵龈?、低電平，漏極開路輸出需接上拉電阻才能輸出高電平。 ADC0 采樣的 16 位數(shù)據(jù)，高八位存放在 ADC0 數(shù)據(jù)字 MSB寄存器 ADC0H 中，低八位存放在 ADC0 數(shù)據(jù)字 LSB 寄存器 ADC0L 中。 ADC0 完成一個(gè)采樣周期后， DMA0 將根據(jù)指令將 ADC0H 存入 XRAM 首地址，然后指針指向下一個(gè)地址，然后將 ADC0L 中數(shù)據(jù)存入指針指定地址，然后指針再加 1。 以下為 DMA0 的初始化程序： Void DMA0_Init ( ) { 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 22 char old_SFRPAGE=SFRPAGE； //保存 SFR 頁 SFRPAGE=DMA0_PAGE； DMA0CN=0x00； // 不使能 DMA0， DMA0DA=XRAM_START_ADD； // XRAM 存儲(chǔ)區(qū)首地址 DMA0CT=NUM_SAMPLES； // 循環(huán)計(jì)數(shù)極限值 DMA0IPT=0x00； // (指令 ) 初始寫在位置 0 DMA0IDT=DMA0_GET_ADC0； // 寫 DMA 取 ADC0 數(shù)據(jù)的指令 DMA0IDT=DMA0_END_OF_OP； // 寫 DMA 結(jié)束指令 DMA0BND=0x00； // 設(shè)置執(zhí)行指令的初始位置 DMA0CN=0xA0； // DMA0 工作在方式一，開啟 DMA0 SFRPAGE=old_SFRPAGE； // 返回 SFR 頁 } Modbus 通信協(xié)議 Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。其它從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。如果在消息接收過程中發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行命令，從設(shè)備將建立錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。 從現(xiàn)代數(shù)學(xué)的眼光來看，傅里葉變換是一種特殊的積分變換。 快速傅里葉變換 FFT 是離散傅立葉變換的一種快速算法，由于有限長(zhǎng)序列在器頻域也可離散化為有限長(zhǎng)序列，因此離散傅里葉變換在數(shù)字信號(hào)中是非常有用的。因?yàn)?DFT的復(fù)數(shù)乘法次數(shù)與復(fù)數(shù)加法次數(shù)都與 N 的平方成正比，所以 N 分得越小對(duì)減少運(yùn)算量越有利。依次類推進(jìn)一步分就為兩個(gè)短序列，一直分解下去直到最后分解成 2 個(gè)點(diǎn)的 DFT 計(jì)算。 通過上述分析可知，長(zhǎng)度為 N 的序列 x(n)的離散傅立 葉可以通過兩個(gè)長(zhǎng)度為 2N 的序列的 DFT 求出，并依此類推下去。 1 1 1 10NW1NW2NW 3NWX ( 0 )X ( 1 )X ( 2 )X ( 3 )X ( 4 )X ( 5 )X ( 6 )X ( 7 )0NW2NW0NW2NW 1 1 1 10NW0N0NW0NW 1 1 1 1M = 0M = 1M = 2X ( 0 )X ( 1 )X ( 2 )X ( 3 )X ( 4 )X ( 5 )X ( 6 )X ( 7 ) 圖 8 點(diǎn) FFT 時(shí)間抽取算法運(yùn)算流圖 根據(jù)以上的分析方法，我們能對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，經(jīng)多次試驗(yàn)得到，在信號(hào)頻率為 200Hz 處為最大幅值，我們依此為判斷桿塔是否振動(dòng)的判 據(jù)，即當(dāng) 200 處對(duì)應(yīng)的幅值大于某一閥值，則說明桿塔發(fā)生振動(dòng)，反之則否。此外， FFT 變換中，數(shù)據(jù)按奇偶個(gè)數(shù)重新排列后，第 n 個(gè)數(shù)出 ，幅值計(jì)算公式如（ ）所示 22n n nA x y?? （ ） 其中 nx 、 ny 分別表示第 n 個(gè)數(shù)的實(shí)部和虛部。 本章總結(jié) 本章 主要介紹了輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)情況，在這部分， 詳細(xì)分析了 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中程序流程圖，并對(duì)該程序所用到的微處理器內(nèi)部的各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的配置說明并 在程序后解釋了這樣編程的依據(jù)。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 26 5 測(cè)試與分析 系統(tǒng)功耗測(cè)試 如圖 所示為整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接實(shí)物圖 。 表 系統(tǒng)功耗 電壓 電流 功率 調(diào)理電路測(cè)試與分析 我們對(duì)調(diào)理電路的各個(gè)組成部分單獨(dú)進(jìn)行了測(cè)試與分析，各部分均能完成功能。從圖中可以看出，信號(hào)范圍在 0~ 之間，為單片機(jī)可用的