【正文】 ，傅里葉變換具基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 23 有多種不同的變體形式，如連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換。 本文采用按時(shí)間抽取的 FFT 算法，算法的基本原理如下： 設(shè)序列長度為 m=2N , m=0, 1, 2, … , m為分解級數(shù)。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 24 1 1 1 108W18W 28W 38WA ( 0 )A ( 1 )A ( 2 )A ( 3 )B ( 0 )B ( 1 )B ( 2 )B ( 3 )X ( 0 )X ( 1 )X ( 2 )X ( 3 )X ( 4 )X ( 5 )X ( 6 )X ( 7 ) 圖 x(k)與 A(k)、 B(k)的關(guān)系 可以按照這種分解方法繼續(xù)給以分解。 我們根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)出算法程序，其中包含三個(gè)函數(shù)，它們的作用分別為，取變換的樣本數(shù)據(jù)、逐步按奇偶排列抽取數(shù)據(jù)、進(jìn)行蝶型變換。當(dāng)連接好電路后，用 GWINSTEK 的 GPD3303S電源供電，從電源面板可看出系統(tǒng)的整體功耗，如表 所示。 表 上位機(jī)與下位機(jī)測試通信指令對應(yīng)表 上位機(jī)發(fā)送指令 返回值 01 Shake_yes 0 0 04… “ 0F” 測試時(shí)設(shè)置通信雙方的波特率均為 9600，數(shù)據(jù)位為 8，停止位為 1。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 27 (a) 放大電路輸出波形與輸入波形比較 (b) 濾波電路輸出波形與輸入波形比較 (c) 限幅分壓電路 輸出波形與輸入波形比較 (d) 反相電路輸出波形與輸入波形比較 圖 調(diào)理電路各模塊測試輸出波形 從圖中可以得到各部分輸出結(jié)果和仿真 結(jié)果 相差不大，硬件電路滿足對信號處理的需求。 在此基礎(chǔ)上，分析得出了整個(gè)振動判斷系統(tǒng)的判據(jù)，即信號特定頻率處對應(yīng)的最大幅值的大小作為振動的特征參數(shù)。如式（ ）所示。 通過以上分解，通過運(yùn)算得到 x(n)的 N 點(diǎn) DFT 運(yùn)算結(jié)果為： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 0 , 1 , . . . 122kNkNx k A k W B k NN kx k A k W B k? ??? ??????????? ? ? ???? ? ? ??????? （ ） 其中 A(k)、 B(k)分別表示偶數(shù)序列 a(r)及奇數(shù)序列 b(r)的 2N 點(diǎn) DFT 運(yùn)算，從計(jì)算公式看出兩個(gè)式子只差一個(gè)負(fù)號，所以可以說明，只要求出 0~ 21N ? 區(qū)間內(nèi)各個(gè)整數(shù) k值所對應(yīng)的 A(k)和 B(k)，就可求出 0~N1 區(qū)間內(nèi)的全部 x(k)值。有些信號在時(shí)域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。 傅立葉原理表明：任何連續(xù)測量的時(shí)序或信號，都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。當(dāng)用 Modbus 協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器都要有設(shè)備地址，通信時(shí)，如果需要回應(yīng)，控制器將生成對應(yīng)信息并同樣用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。i10000。在推挽方式，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’將使端口引腳輸出高電平。然后將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT 分析，得出固定頻率出的幅值，根據(jù)幅值的大小，調(diào)用 judge_shake 判斷是否有振動，當(dāng)沒有振動時(shí)，檢測 data_receive[]中數(shù)據(jù)，看是否有上位機(jī)請求數(shù)據(jù)指令，并根據(jù)指令情況，發(fā)送或者不發(fā)送相應(yīng)信息，當(dāng)判斷出有振動時(shí)，根據(jù) flag_cy 的值判斷是否進(jìn)行完整采樣，最終將振動結(jié)果通過UART0 發(fā)送給上位機(jī)。 C8051F060 的程序流程如圖 所示，其中變量說明如下： ? flag_cy：區(qū)分采樣類型， flag_cy=1，表示已進(jìn)行初步局部采樣，若局部采樣有振動，下一步將進(jìn)行完整采樣； flag_cy=0， 表示要進(jìn)行局部采樣。ZigBee 模塊中已有轉(zhuǎn) RS232 串口，因此直接將處理器芯片與 ZigBee 模塊相聯(lián)， 如圖 所示。在使用 JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)可全功能運(yùn)行。 圖 Multisim 中限幅電路仿真結(jié)果 微處理器芯片外圍電路設(shè)計(jì) 采集的主芯片使用完全集成混合信號片上系統(tǒng)級芯片 C8051F060，芯片的微控制器與 MCS51 指令集及內(nèi)核完全兼容，高速的流水線操作，是大部分指令能夠在一個(gè)或兩個(gè)周期內(nèi)完成，片內(nèi)集成了兩個(gè) 16 位、 1Msps 的 ADC，帶有 DMA 控制器，可以很方便地在短時(shí)間內(nèi)采集大量的數(shù)據(jù)。從圖中可以看到經(jīng)濾波后，高頻波形被略去，輸出波形是平滑的正弦波形，說明濾波效果很好。輸入 為 50HZ、 2V的正弦波形，放大倍數(shù)設(shè)置為 3VA? ? 。就是 Vin 接電源輸入， GND 接底， Vout加一個(gè) ~1uF 的電容就可以了。 +12V12V+24VGNDD3R21123J6+5V5VVin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14Vin1GND2+Vo70V10V09IA0505S2WU16C50C51Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU13C52C53C54C55Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24WVo+1 32 4U201 32 4U151 32 4U19+5V 圖 電源轉(zhuǎn)換模塊電路連接圖 AS1117 芯片電路連接圖 數(shù)據(jù)采集芯片 C8051F060 供電需要 的模擬電源和數(shù)字電源，本文用 AS1117芯片固定輸出 版本，其電路連接圖如圖 所示。 電 源 轉(zhuǎn) 換 模 塊輸 入電 源 2. 5 V? V?5V??12 V??24 V?傳感器供電運(yùn)放供電運(yùn)放供電加法電路單片機(jī)供電 圖 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換示意圖 在本設(shè)計(jì)中，我們改變變阻器阻值設(shè)置電源轉(zhuǎn)換模塊輸出為直流的 +5V。 本章總結(jié) 本章主要介紹了輸電桿塔振動檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并分別，對其中的硬件設(shè)計(jì)方案及軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在硬件設(shè)計(jì)方案中給出了整體硬件框架，并基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 9 介紹了系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中選取的元器件，簡單描述了它們的工作原理。它采用 DIP－ 8 封裝，引腳排列如圖 所示。 如圖 所示為 IAS2W 系列引腳圖。 12V，直流 5V轉(zhuǎn)177。其中物理層和媒體訪問控制層遵循 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。它可以工作在半雙工同步方式和全雙工一步方式。 P SA2 4 V調(diào) 理電 路微 型 I C放 大 器壓 電加 速 度 傳 感 器內(nèi) 裝 I C 壓 電 加 速 度 傳 感 器外 接 信 號 調(diào) 理 電 路 圖 壓電加速度傳感器與外界電路原理圖 LC0104 內(nèi)裝 IC 壓電加速傳感器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表 所示，另有指標(biāo)如下： 輸出偏壓： 812VDC 恒定電流： 220mA，典型值： 4mA 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 5 激勵(lì)電壓： 1830VDC，典型值： 24VDC 表 LC0104 技術(shù)指標(biāo)參數(shù) 型號 靈敏度 mV/g 量程 g 頻率范圍（ Hz） 分辨率 g 重量 mg 用途 LC0104 100 50 28 通用測振 微處理器 C8051F060是完全集成的混合信號片上 系統(tǒng)型 MCU，采用 Silicon Lab的專利 CIP51微控制器內(nèi)核，具有 59 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號，送入單片機(jī)。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號，送入單片機(jī)。 隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加速及國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致用電量激增，國家電網(wǎng)為減少因?yàn)槎ㄆ谌斯z修從而對設(shè)備“過渡”檢修及造成人力浪費(fèi)和對設(shè)備漏檢造成桿塔災(zāi)害事故，進(jìn)而降低輸電桿 塔運(yùn)行的可靠性和造成電力企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要輸電桿塔在線監(jiān)測裝置和故障診斷系統(tǒng)來即使可靠的提供桿塔運(yùn)行狀態(tài)以提示尋線人員進(jìn)行針對性的巡檢，以降低電力安全事故的發(fā)生概率，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。 經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐分析表明，輸電桿塔振動識別單元準(zhǔn)確性高，監(jiān)測距離長，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。輸電桿塔大多處在復(fù)雜的野外自然環(huán)境，并且具有高聳入云的特殊結(jié)構(gòu)。信號經(jīng)調(diào)理電路處理后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 附錄 A ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開展機(jī)器人和無人直升機(jī)對輸電線路的檢修工作。其具體組成為是：輸電桿塔上安裝的感應(yīng)設(shè)備 —— 傳感器；針對監(jiān)測輸電桿塔面臨的外部異物撞擊振動信號的調(diào)理電路 —— 調(diào)理電路塊；用來處理信號數(shù)據(jù)信息的微處理器 —— 單片機(jī)；以及處理后數(shù)據(jù)的傳輸 —— 通信模塊等。 內(nèi)裝 IC 壓電加速度傳感器有微型 IC 放大器和壓電加速度傳感器組成。當(dāng)禁止時(shí) ADC 處于低功耗關(guān)斷方式。 無線通信 Zigbee 是基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗廣域網(wǎng) 協(xié)議 。組網(wǎng)完成后， ZigBee 模塊間實(shí)行透明傳輸數(shù)據(jù)方式。以下為各轉(zhuǎn)換模塊的簡介。其引腳排列圖如圖 所示。如圖 所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖。 12V，177。 Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24W+5V 圖 QS1212CBD 電源轉(zhuǎn)換模塊引 腳圖 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 11 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器 IA0512S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標(biāo)稱值 5V，輸出電壓標(biāo)稱值 12VDC? ，輸出電流 o4. 2 m A I 42 m A?? 。 電路元器件說明： MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片。 電路元器件說明： 1RV 為變阻器，在調(diào)試電路時(shí)，根據(jù)需要改變變阻器的阻值來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式為： 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 14 ? ? 20c22c csAAss Q???? ?? () 其中 c? 為截止頻率 ， 此設(shè)計(jì)中 24 5 7 281c R R C C? ? ，品質(zhì)因數(shù) ? ， 當(dāng) 2VA? 時(shí)電路穩(wěn)定， 1VA? ，即運(yùn)算放大器的負(fù)端與輸出端短 路連接，從而滿足穩(wěn)定要求。 1KR9D1D2+5V5V3261 574U5+12V12VC11C1210KRV2Single_In3Single_Out3 圖 限幅電路 仿真：圖 所示為限幅電路在 Multisim 中仿真 結(jié)果 。其中模擬電源和數(shù)字電源接 ，數(shù)字地和模擬地均接地。 具體元器件的參數(shù)：電容 C31 和 C32 的值為 33pF，石英晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率為。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計(jì) 18 4 輸電桿塔振動識別單元的軟件實(shí)現(xiàn) 總體程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件部分，實(shí)現(xiàn) C8051F060 相關(guān)模塊初始化和上位機(jī)的通 信準(zhǔn)備，在底層采集板與上位機(jī)握手成功后，啟動 ADC0 進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣， DMA 存儲與 UART0 傳輸， AD模塊使用芯片片內(nèi) 16 位 ADC0，設(shè)置其工作在單端方式，使用專用的 電壓基準(zhǔn)；Timer3 模塊的功能為定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生溢出從而啟動 ADC0 轉(zhuǎn)換； DMA 模塊與 ADC0模塊協(xié)同工作，將 ADC0 輸出不經(jīng)過 CPU 直接寫入指定的 XRAM 區(qū)域來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集和緩存；將采集存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT 變換，得出固定頻率的幅值，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果算出最大的幅值，據(jù)此判斷輸電桿塔是否振動。單片機(jī)進(jìn)入循環(huán)程序，檢測 flag_cy 的值，設(shè)定 DMA 存儲的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。參見數(shù)據(jù)手冊可知，設(shè)置 UART 對應(yīng)引腳的寄存器位 UART0EN 位于寄存器 XBR0 第 3位，即 。 ADC0 和 DMA0 ADC0 采樣為 16 位數(shù)據(jù)采樣，選擇在單端工作方式，啟動轉(zhuǎn)換方式選擇由定時(shí)器 3定時(shí)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)啟動轉(zhuǎn)換， ADC0 采樣的轉(zhuǎn)換周期設(shè)置為 1/SYSCLK，轉(zhuǎn)換頻率為 time3 溢出的頻率。至此，完成采樣階段， DMA0INT 自動置 1。從設(shè)備回應(yīng)消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成。 傅里葉變換在物理學(xué)、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、信號處理、概率、統(tǒng)計(jì)、密碼學(xué) 、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 把長度為 N 的序列 x(n)分解成有 2N 個(gè)奇數(shù) 的點(diǎn)和 2N 個(gè)偶數(shù)的點(diǎn)構(gòu)成的子序列，是序列的 N 個(gè)點(diǎn) DFT 用 2 個(gè) 2N 點(diǎn)的 DFT 進(jìn)行計(jì)算。 8 點(diǎn)時(shí)間抽取算法運(yùn)算流圖如圖 所示。經(jīng)試驗(yàn)分析得出程序可行。系統(tǒng)的整體功耗為 ，滿足