【導(dǎo)讀】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)。旦輸電桿塔遭到破壞，將導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民群眾的正常生活，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等次生災(zāi)害，造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，桿塔振動(dòng)分析及監(jiān)測(cè)。器，采集輸電桿塔受外部異物撞擊時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后，送入單片機(jī)。采樣得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)傅里葉變換后，得到振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)。頻率及其對(duì)應(yīng)的幅值，將其作為振動(dòng)特征參數(shù)，判斷輸電桿塔的振動(dòng)情況。線通信ZigBee技術(shù)將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)地發(fā)送至遠(yuǎn)端的主站。較強(qiáng)的抗干擾能力。桿塔振動(dòng)識(shí)別單元具有重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

　　

【正文】 分頁(yè) 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(wú)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。相關(guān)寄存器設(shè)置說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn) C8051F060 數(shù)據(jù)手冊(cè)。 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(dòng)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(dòng)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。 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 的初始化程序?yàn)椋? Void ADC0_Init ( ) { uchar old_SFRPAGE=SFRPAGE； sint i； SFRPAGE=ADC0_PAGE； ADC0CN=0x44； // ADC0 未使能，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式選擇 // TIMER3 定時(shí) ， AD0INT 清零 REF0CN=0x03； //ADC0 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)緩沖器 for(i=0。i10000。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(xiě)地址寄存器 DMA0IPT）， DMA 指令（放入寫(xiě)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）。 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。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 。當(dāng)執(zhí)行存數(shù)指令次數(shù)達(dá)到循環(huán)計(jì)數(shù)極限值， DMA 指令不在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是執(zhí)行結(jié)束指令。至此，完成采樣階段， DMA0INT 自動(dòng)置 1。 以下為 DMA0 的初始化程序： Void DMA0_Init ( ) { 基于無(wú)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(yè) 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(xiě)在位置 0 DMA0IDT=DMA0_GET_ADC0； // 寫(xiě) DMA 取 ADC0 數(shù)據(jù)的指令 DMA0IDT=DMA0_END_OF_OP； // 寫(xiě) 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(kāi)啟 DMA0 SFRPAGE=old_SFRPAGE； // 返回 SFR 頁(yè) } 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(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)可以和其它設(shè)備之間通信。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(duì)應(yīng)信息并同樣用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。 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。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)。 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(duì)應(yīng)針腳、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)。本文 Modbus 協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備地址（地址域）、功能代碼（功能域）、要發(fā)送的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)域）、校驗(yàn)（校驗(yàn)域）和結(jié)束字符（結(jié)束域）。從設(shè)備回應(yīng)消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成。如果在消息接收過(guò)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。 Modbus 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下： 表 Modbus 通信規(guī)定協(xié)議 地址域 功能域 數(shù)據(jù)域 校驗(yàn)域 結(jié)束域 快速傅里葉變換 傅立葉變 換是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域一種很重要的算法。 傅立葉原理表明：任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序或信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅立葉變換算法利用直接測(cè)量到的原始信號(hào)，以累加方式來(lái)計(jì)算該信號(hào)中不同正弦波信號(hào)的頻率、振幅和相位。 從現(xiàn)代數(shù)學(xué)的眼光來(lái)看，傅里葉變換是一種特殊的積分變換。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。在不同的研究領(lǐng)域，傅里葉變換具基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)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。 傅里葉變換在物理學(xué)、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、信號(hào)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。 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。但是若時(shí)間長(zhǎng)了， DFT 計(jì)算量太大，即使采用計(jì)算機(jī)技術(shù)也很難快速處理數(shù)據(jù)，因此快速 傅立葉算法誕生了，快速傅里葉變換可以將一個(gè)時(shí)域信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)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。 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(duì)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。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。 FFT 算法中根據(jù)把長(zhǎng)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。 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(zhǎng)度為 m=2N , m=0, 1, 2, … , m為分解級(jí)數(shù)。 把長(zhǎng)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。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。由于每分解一次，就降低一次冪，所以總可以通過(guò) m級(jí)的分解，是的最后全部變換成一系列 2 個(gè)點(diǎn) DFT 運(yùn)算的組合，是運(yùn)算達(dá)到高效率。 通過(guò)以上分解，通過(guò)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(hào)，所以可以說(shuō)明，只要求出 0~ 21N ? 區(qū)間內(nèi)各個(gè)整數(shù) k值所對(duì)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。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。 通過(guò)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(guò)兩個(gè)長(zhǎng)度為 2N 的序列的 DFT 求出，并依此類推下去。 N=8 時(shí)， x(k)與 A(k)、 B(k)的關(guān)系如圖 所示。 基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)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。 8 點(diǎn)時(shí)間抽取算法運(yùn)算流圖如圖 所示。 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(shuō)明桿塔發(fā)生振動(dòng)，反之則否。 FFT 對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析中， FFT 變換后信號(hào)的頻率與采樣頻率及采樣個(gè)數(shù)有經(jīng)驗(yàn)公式。如式（ ）所示。 ( 1) sn ffnN?? （ ） 基于無(wú)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)。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。通過(guò)公式（ ）和（ ）計(jì)算出 200Hz頻率處對(duì)應(yīng)的幅值。 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。經(jīng)試驗(yàn)分析得出程序可行。 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(shuō)明并 在程序后解釋了這樣編程的依據(jù)。同時(shí)簡(jiǎn)單闡述了 Modbus 通信協(xié)議及快速傅里葉變換（ FFT）的原理。 在此基礎(chǔ)上，分析得出了整個(gè)振動(dòng)判斷系統(tǒng)的判據(jù)，即信號(hào)特定頻率處對(duì)應(yīng)的最大幅值的大小作為振動(dòng)的特征參數(shù)。依此判斷振動(dòng)與否。 基于無(wú)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 。 圖 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 圖中包括傳感器， 處理板，電源。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。系統(tǒng)的整體功耗為 ，滿足任務(wù)要求。 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。如圖 所示為測(cè)試電路圖。 基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)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(cè)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(duì)信號(hào)處理的需求。 以下為調(diào)理電路整體測(cè)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。從圖中可以看出，信號(hào)范圍在 0~ 之間，為單片機(jī)可用的有效信號(hào)。 圖 調(diào)理電路輸出信號(hào) 基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 28 無(wú)線通信測(cè)試與分析 在微處理器中下載測(cè)試程序，測(cè)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(duì)應(yīng)，其對(duì)應(yīng)如表 所示。 表 上位機(jī)與下位機(jī)測(cè)試通信指令對(duì)應(yīng)表 上位機(jī)發(fā)送指令 返回值 01 Shake_yes 0 0 04… “ 0F” 測(cè)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。由串口調(diào)試助手作為上位機(jī)發(fā)