【正文】 .......... 5 無線通信 ................................................................................................................. 5 電源轉換模塊 ......................................................................................................... 6 軟件設計方案 ................................................................................................................ 8 本章總結 ........................................................................................................................ 8 3 輸電桿塔振動識別單元的硬件實現(xiàn) ................................................................................ 10 系統(tǒng)電源設計 .............................................................................................................. 10 IAS2W 系列 DCDC 轉換器 ...............................................................................11 AS1117 芯片電路連接圖 ......................................................................................11 MC1403 電路連接圖 ............................................................................................ 12 振動信號調(diào)理電路設計 .............................................................................................. 12 放大電路設計 ....................................................................................................... 12 濾波電路設計 ....................................................................................................... 13 限幅電 路設計 ....................................................................................................... 14 加法電路設計 ......................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 國外對輸變電設備工作狀態(tài)的監(jiān)測研究工作開展的比較早，早在 20 世紀 70 年代，美國就開始了以在線監(jiān)測為基礎的狀態(tài)檢修技術的研究與應用，但是該技術應用到輸變電設備上是從 80 年代才開始的，比較成功的有澳大利亞昆士蘭的合成絕緣子泄漏電流監(jiān)測設備；美國電氣研究協(xié)會研發(fā)的輸電線路動態(tài)容量監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)方面，輸變電設備的檢修機制經(jīng)歷了故障發(fā)生后的事后檢修到定期檢修的管理制度再到現(xiàn)在先進的狀態(tài)檢修機制三個階段。 本文在如下的內(nèi)容中詳細介紹整個系統(tǒng)的整體設計方案，硬件設計，軟件設計以及系統(tǒng)測試與分析。 輸電桿塔振動識別單元的硬件設計方案 振動識別單元的硬件設計結構圖如圖 所示，從圖中我們可以看出，整個硬件電路可以分為信號調(diào)理電路，電源模塊，微處理器電路，及通信模塊。 C8051F060 的 ADC 系統(tǒng)包括兩個 1Msps、 16 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC，其中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和 DMA 接口。 C8051F060 MCU 內(nèi)部有 5 個計數(shù)器 /定時器，這些計數(shù)器 /定時器可以用于測量時間間隔、對外部事件計數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。 Zigbee網(wǎng)絡通常由三種節(jié)點構成： Coordinator：用來創(chuàng)建一個 Zigbee 網(wǎng)絡，并為初次加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配地址，每個 Zigbee 網(wǎng)絡需要且只需要一個 Coordinator； Router：可以收發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用； End Device：終端節(jié)點，通常定義為電池供電的低功耗設備。 12V和177。芯片內(nèi)部包括啟動電路，偏置電路，電壓基準源電路，過熱保護，過流保護，功率管極其驅動電路等。而這些主要的軟件設計部分主要是由對芯片 C8051F060 編程來完成。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 10 3 輸電桿塔振動識別單元的硬件實現(xiàn) 系統(tǒng)電源設計 電源設計是決定本設計優(yōu)劣的一個重要因素，在此前介紹 的硬件電路設計中，都需要提供電源支持，因此電源電路的穩(wěn)定性決定 其他器件的穩(wěn)定性，最終決定實驗結果的準確性。我們選擇寬電壓輸入 QS1212CBD24W 電源轉換模塊，其輸入電壓范圍 335V，輸出電壓范圍 ，電流 2A。 電路元器件說明：電路中電容起到濾波的作用，電感 L1 和 C4 C43 組成的 型電路，電感的作用是起濾波作用，另外當數(shù)字電路工作在高頻時電源的脈動比較大，如果和模擬電源一起使用 時就會給模擬電源造成干擾，電感在這里使數(shù)字電源和模擬電源基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 12 互不影響，都保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。以下為調(diào)理電路結構圖： 放 大 電 路濾 波 電 路 限 幅 電 路 加 法 電 路傳 感 器 信 號送 至 采 集 芯 片 圖 調(diào)理電路結構圖 放大電路設計 如圖 所示，為信號放大電路。 電 路說明： 如圖 所示，這是一個典型的二階有源低通濾波電路，它是由兩節(jié) RC濾波電路和同相比例放大電路組成，這樣輸入阻抗高，輸出阻抗低。 電路元器件說明：電路前半部分設置一個跟隨電路，使得輸入阻抗高，輸出阻抗低，兩個二極管，起到限幅的作用，當信號波峰大于 5V，則 D1 導通， D2 截止，后續(xù)電路的最大峰值為 5V；當信號波谷小于 5V，則 D1 截止， D2 導通，后續(xù)電路的最小值為 5V。 A D C 0T i m e 3D M A 0 X R A MS i g n a l 圖 C8051F060 數(shù)據(jù)采集流程圖 數(shù)據(jù)采集板電路設計如附圖 1 所示。系統(tǒng)時鐘可以由外部振蕩器電路或內(nèi)部振蕩器分頻提供。這部分 主要介紹了系統(tǒng)電源設計，調(diào)理電路設計，微處理器的外圍電路設計，以及通信模塊的實現(xiàn)。 ? data_send[]：數(shù)組，用于存儲振動信息。為數(shù)字外設分配端口引腳的優(yōu)先權順序可參見 C8051F060 的數(shù)據(jù)手冊。 UART0 的初始化程序如下： Void UART0_Init () {…… SCON0=0x50； //串口方式一， REN0=1 允許接收 SSTA0=0x00； //使能波特率 /2 功能，定時器 1 產(chǎn)生 UART0 波特率 //波特率 =1/32*定時器 1 溢出率 SFRPAGE=TIMER01_PAGE； //SFR 分頁 TMOD=0x20； //定時器 1 采用方式二 CKCON=0x00； //定時器 1 使用系統(tǒng)時鐘 Time1 clock=SYSCLK/12 TH1=0xFA； //波特率 =9600 TL1=0xFA； 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 21 …….} 其中 UART0 的波特率有定時器 1 產(chǎn)生，波特率為 9600。當 ADC0 完成下一個采樣周期，同理以此類推存入指定區(qū)域 。 本設計用標準的 Modbus 口，使用 RS232C 兼容串行接口，它定義了連接口的對應針腳、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。它能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成正弦基函數(shù)的線性組合或者積分。 FFT 算法中根據(jù)把長序列分解為短序列的分解方式不同， FFT 算法基本上可以分為兩大類：按頻率抽取的 FFT 算法和按時間抽取的 FFT 算法。 N=8 時， x(k)與 A(k)、 B(k)的關系如圖 所示。通過公式（ ）和（ ）計算出 200Hz頻率處對應的幅值。 圖 系統(tǒng)測試結果 圖中包括傳感器， 處理板，電源。 圖 調(diào)理電路輸出信號 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 28 無線通信測試與分析 在微處理器中下載測試程序，測試程序中上位機發(fā)送的指令與下位機返回值要一一對應，其對應如表 所示。 以下為調(diào)理電路整體測試波形，當用木棍敲擊傳感器時，得到的調(diào)理后波形如圖 所示。依此判斷振動與否。 ( 1) sn ffnN?? （ ） 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 25 其中 nf 為信號頻率， n 表示數(shù)據(jù)重新排列后的次序， sf 表示采樣頻率， N 表示采樣個數(shù)。因此上式可推廣，作為FFT 算法的遞推公式，這就是 FFT 節(jié)省大量計算量的關鍵原因。 FFT 算法的基本思想是把原始的 N 點序列，一次地分解成一系列的短序列，然后求出這些短序列相對應的 DFT 并進行 適當?shù)慕M合，借以減少乘法計算的目的。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。 Modbus 通信協(xié)議中控制器通常使用主 — 從技術，即只有主設備能初始化、傳輸及查詢。i++)； AMX0SL=0x00； //單端方式 ADC0CF=(SYSCLK/25000000)4； //ADC0 SAR 轉換周期為 1/SYSCLK ADC0CN=0xC4； //使能 ADC0 SFRPAGE=old_SFRPAGE； } DMA0 協(xié)同 ADC0 一起工作， DMA 初始設置中要設定 DMA 指令起始地址（放入寫地址寄存器 DMA0IPT）， DMA 指令（放入寫數(shù)據(jù)寄存器 DMA0IDT），以及數(shù)據(jù)存入XRAM 的首地址（放入 DMA 數(shù)據(jù)地址起始寄存器 DMA0DA），及存入數(shù)據(jù)的個數(shù)（放入循環(huán)計數(shù)器極限寄存器 DMA0CT）。在漏極開路方式，向端口數(shù)據(jù)寄存器中的相應位寫邏輯‘ 0’將使端口引腳輸出低電平，寫邏輯‘ 1’將使端口引腳處于高阻狀態(tài)。至此整個過程結束，單片機進入下一次循環(huán)。 ? shake_yes：振動標志變量， shake_yes=1 表示有振動；否則相反。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 17 RX24TX25GND31ZigBee32U18DV3 圖 ZigBee 模塊電路連接圖 本設計中用到的 ZigBee 模塊引腳圖如圖 所示。 13579246810U11TDOTMSTDIR20DV3DV3TCK 圖 JTAG 調(diào)試接口 晶體振蕩電路 C8051F060 芯片振蕩頻率最大不能超過 25MHz， C8051F060 包含一個可編程內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅動電路。該款單片機在提高速度的同時，集成了眾多的硬件資源，不需要和傳統(tǒng)的單片機一樣去外擴大量的器件，就可以實現(xiàn)復雜且高速的數(shù)據(jù)采集功能。 圖 中濾波電路仿真結果 限幅電路設計 如圖 所示，為信號限幅電路。 圖 Multisim 中放大電路仿真結果 濾波電路設計 如圖 所示，為信號濾波電路。 振動信號調(diào)理電路設計 各種傳感器輸出的信號很微弱，所 處的環(huán)境噪聲很大，后續(xù)模塊很難檢測到，信號頻率成分也十分復雜，因此需要對各種傳感器的輸出信號進行有針對性的調(diào)理，來達到后續(xù)模塊的采集要求。 3 21V VGNDINOUTU12 AS111710uFC39C40C4110uHL110uFC43C42DV3 AV3GNDAGNDVo+ 圖 AS1117 芯片 5V 轉 電源電路 電路功能：將直流 5V 轉換成 的模擬電源和 數(shù)字電源輸出?？紤]到輸電桿塔所處的地理位置及特殊的外部環(huán)境，我們需要保證本設計能適用于更多的特殊、偏遠、條件落后的環(huán)境下，我們采用可調(diào)節(jié)的寬電壓輸入的電源模塊。軟件設計方案中描述了整體軟件設計構架。 V