【正文】 .......... 5 無線通信 ................................................................................................................. 5 電源轉(zhuǎn)換模塊 ......................................................................................................... 6 軟件設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................................ 8 本章總結(jié) ........................................................................................................................ 8 3 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件實(shí)現(xiàn) ................................................................................ 10 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 10 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器 ...............................................................................11 AS1117 芯片電路連接圖 ......................................................................................11 MC1403 電路連接圖 ............................................................................................ 12 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) .............................................................................................. 12 放大電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 12 濾波電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 13 限幅電 路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 14 加法電路設(shè)計(jì) ......................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 國外對輸變電設(shè)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(jì) 70 年代，美國就開始了以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修技術(shù)的研究與應(yīng)用，但是該技術(shù)應(yīng)用到輸變電設(shè)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(shè)備；美國電氣研究協(xié)會(huì)研發(fā)的輸電線路動(dòng)態(tài)容量監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)方面，輸變電設(shè)備的檢修機(jī)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(jìn)的狀態(tài)檢修機(jī)制三個(gè)階段。 本文在如下的內(nèi)容中詳細(xì)介紹整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測試與分析。 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)方案 振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，從圖中我們可以看出，整個(gè)硬件電路可以分為信號(hào)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(gè) 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(gè)計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器，這些計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器可以用于測量時(shí)間間隔、對外部事件計(jì)數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通常由三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成： Coordinator：用來創(chuàng)建一個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，并為初次加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，每個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個(gè) 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(diǎn)，通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備。 12V和177。芯片內(nèi)部包括啟動(dòng)電路，偏置電路，電壓基準(zhǔn)源電路，過熱保護(hù)，過流保護(hù)，功率管極其驅(qū)動(dòng)電路等。而這些主要的軟件設(shè)計(jì)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(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 10 3 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì)是決定本設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，在此前介紹 的硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。我們選擇寬電壓輸入 QS1212CBD24W 電源轉(zhuǎn)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(dāng)數(shù)字電路工作在高頻時(shí)電源的脈動(dòng)比較大，如果和模擬電源一起使用 時(shí)就會(huì)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(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)圖： 放 大 電 路濾 波 電 路 限 幅 電 路 加 法 電 路傳 感 器 信 號(hào)送 至 采 集 芯 片 圖 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖 放大電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號(hào)放大電路。 電 路說明： 如圖 所示，這是一個(gè)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(shè)置一個(gè)跟隨電路，使得輸入阻抗高，輸出阻抗低，兩個(gè)二極管，起到限幅的作用，當(dāng)信號(hào)波峰大于 5V，則 D1 導(dǎo)通， D2 截止，后續(xù)電路的最大峰值為 5V；當(dāng)信號(hào)波谷小于 5V，則 D1 截止， D2 導(dǎo)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(shè)計(jì)如附圖 1 所示。系統(tǒng)時(shí)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(shè)計(jì)，調(diào)理電路設(shè)計(jì)，微處理器的外圍電路設(shè)計(jì)，以及通信模塊的實(shí)現(xiàn)。 ? data_send[]：數(shù)組，用于存儲(chǔ)振動(dòng)信息。為數(shù)字外設(shè)分配端口引腳的優(yōu)先權(quán)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(shí)器 1 產(chǎn)生 UART0 波特率 //波特率 =1/32*定時(shí)器 1 溢出率 SFRPAGE=TIMER01_PAGE； //SFR 分頁 TMOD=0x20； //定時(shí)器 1 采用方式二 CKCON=0x00； //定時(shí)器 1 使用系統(tǒng)時(shí)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(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 21 …….} 其中 UART0 的波特率有定時(shí)器 1 產(chǎn)生，波特率為 9600。當(dāng) ADC0 完成下一個(gè)采樣周期，同理以此類推存入指定區(qū)域 。 本設(shè)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 口，使用 RS232C 兼容串行接口，它定義了連接口的對應(yīng)針腳、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)。它能將滿足一定條件的某個(gè)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(shí)間抽取的 FFT 算法。 N=8 時(shí)， x(k)與 A(k)、 B(k)的關(guān)系如圖 所示。通過公式（ ）和（ ）計(jì)算出 200Hz頻率處對應(yīng)的幅值。 圖 系統(tǒng)測試結(jié)果 圖中包括傳感器， 處理板，電源。 圖 調(diào)理電路輸出信號(hào) 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 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(jī)發(fā)送的指令與下位機(jī)返回值要一一對應(yīng)，其對應(yīng)如表 所示。 以下為調(diào)理電路整體測試波形，當(dāng)用木棍敲擊傳感器時(shí)，得到的調(diào)理后波形如圖 所示。依此判斷振動(dòng)與否。 ( 1) sn ffnN?? （ ） 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 25 其中 nf 為信號(hào)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(gè)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(jì)算量的關(guān)鍵原因。 FFT 算法的基本思想是把原始的 N 點(diǎn)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(yīng)的 DFT 并進(jìn)行 適當(dāng)?shù)慕M合，借以減少乘法計(jì)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(hào)，以累加方式來計(jì)算該信號(hào)中不同正弦波信號(hào)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(shù)，即只有主設(shè)備能初始化、傳輸及查詢。i++)； AMX0SL=0x00； //單端方式 ADC0CF=(SYSCLK/25000000)4； //ADC0 SAR 轉(zhuǎn)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(shè)置中要設(shè)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(gè)數(shù)（放入循環(huán)計(jì)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(yīng)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(gè)過程結(jié)束，單片機(jī)進(jìn)入下一次循環(huán)。 ? shake_yes：振動(dòng)標(biāo)志變量， shake_yes=1 表示有振動(dòng)；否則相反。 基于無線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 17 RX24TX25GND31ZigBee32U18DV3 圖 ZigBee 模塊電路連接圖 本設(shè)計(jì)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(gè)可編程內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路。該款單片機(jī)在提高速度的同時(shí)，集成了眾多的硬件資源，不需要和傳統(tǒng)的單片機(jī)一樣去外擴(kuò)大量的器件，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且高速的數(shù)據(jù)采集功能。 圖 中濾波電路仿真結(jié)果 限幅電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號(hào)限幅電路。 圖 Multisim 中放大電路仿真結(jié)果 濾波電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號(hào)濾波電路。 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 各種傳感器輸出的信號(hào)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(hào)頻率成分也十分復(fù)雜，因此需要對各種傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行有針對性的調(diào)理，來達(dá)到后續(xù)模塊的采集要求。 3 21V VGNDINOUTU12 AS111710uFC39C40C4110uHL110uFC43C42DV3 AV3GNDAGNDVo+ 圖 AS1117 芯片 5V 轉(zhuǎn) 電源電路 電路功能：將直流 5V 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)能適用于更多的特殊、偏遠(yuǎn)、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(shè)計(jì)方案中描述了整體軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架。 V