【正文】 由串口調(diào)試助手作為上位機發(fā)送指。 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(shè)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(yīng)，其對應(yīng)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。如圖 所示為測試電路圖。系統(tǒng)的整體功耗為 ，滿足任務(wù)要求。 圖 系統(tǒng)測試結(jié)果 圖中包括傳感器， 處理板，電源。依此判斷振動與否。同時簡單闡述了 Modbus 通信協(xié)議及快速傅里葉變換（ FFT）的原理。經(jīng)試驗分析得出程序可行。通過公式（ ）和（ ）計算出 200Hz頻率處對應(yīng)的幅值。 ( 1) sn ffnN?? （ ） 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)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)。 FFT 對信號進行頻譜分析中， FFT 變換后信號的頻率與采樣頻率及采樣個數(shù)有經(jīng)驗公式。 8 點時間抽取算法運算流圖如圖 所示。 N=8 時， x(k)與 A(k)、 B(k)的關(guān)系如圖 所示。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(guān)鍵原因。由于每分解一次，就降低一次冪，所以總可以通過 m級的分解，是的最后全部變換成一系列 2 個點 DFT 運算的組合，是運算達到高效率。 把長度為 N 的序列 x(n)分解成有 2N 個奇數(shù) 的點和 2N 個偶數(shù)的點構(gòu)成的子序列，是序列的 N 個點 DFT 用 2 個 2N 點的 DFT 進行計算。 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。 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(yīng)的 DFT 并進行 適當?shù)慕M合，借以減少乘法計算的目的。但是若時間長了， DFT 計算量太大，即使采用計算機技術(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時域信號變換到頻域。 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、密碼學(xué) 、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。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。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 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 校驗域 結(jié)束域 快速傅里葉變換 傅立葉變 換是數(shù)字信號處理領(lǐng)域一種很重要的算法。從設(shè)備回應(yīng)消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成。 本設(shè)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(yīng)針腳、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。 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。通過此協(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。至此，完成采樣階段， DMA0INT 自動置 1。當 ADC0 完成下一個采樣周期，同理以此類推存入指定區(qū)域 。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)的個數(shù)（放入循環(huán)計數(shù)器極限寄存器 DMA0CT）。 ADC0 的初始化程序為： Void ADC0_Init ( ) { uchar old_SFRPAGE=SFRPAGE； sint i； SFRPAGE=ADC0_PAGE； ADC0CN=0x44； // ADC0 未使能，啟動轉(zhuǎn)換方式選擇 // TIMER3 定時 ， AD0INT 清零 REF0CN=0x03； //ADC0 內(nèi)部電壓基準緩沖器 for(i=0。 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)換方式選擇由定時器 3定時，當定時器計數(shù)溢出時啟動轉(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。 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(shè)計 21 …….} 其中 UART0 的波特率有定時器 1 產(chǎn)生，波特率為 9600。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)。 端口配置程序段如下： Void PORT_Init () { SFRPAGE=CONFIG_PAGE； XBR0=0x04； // 和 分配給 TX0 RX0 XBR1=0x00； XBR2=0x40； // 允許交叉開關(guān)、使能弱上拉 P0MDOUT=0x01； // TX0()輸出設(shè)置為推挽方式 } 其中 TX0 設(shè)置為推挽輸出，這里每個端口引腳的輸出方式都可被配置為漏 極開路或推挽方式。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 。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。至此整個過程結(jié)束，單片機進入下一次循環(huán)。 ADC0 設(shè)置的采樣頻率為 RATE_SAMPLES，在此同時 DMA0 將NUM_SAMPLES 的樣本數(shù)據(jù)存入指定存儲區(qū)域，以 DMA0 設(shè)置的 XRAM_START_ADD地址為數(shù)據(jù)存儲的起始地址。單片機進入循環(huán)程序，檢測 flag_cy 的值，設(shè)定 DMA 存儲的數(shù)據(jù)個數(shù)。 ? data_send[]：數(shù)組，用于存儲振動信息。 ? shake_yes：振動標志變量， shake_yes=1 表示有振動；否則相反。最后芯片通過串口通信將判斷結(jié)果發(fā)送給 ZigBee 模塊，后者通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，傳給與上位機連接的 ZigBee 模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，上位機收到數(shù)據(jù)并顯示出來。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計 18 4 輸電桿塔振動識別單元的軟件實現(xiàn) 總體程序設(shè)計 系統(tǒng)的軟件部分，實現(xiàn) C8051F060 相關(guān)模塊初始化和上位機的通 信準備，在底層采集板與上位機握手成功后，啟動 ADC0 進行數(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；Timer3 模塊的功能為定時時間到，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)進行 FFT 變換，得出固定頻率的幅值，根據(jù)計算的結(jié)果算出最大的幅值，據(jù)此判斷輸電桿塔是否振動。這部分 主要介紹了系統(tǒng)電源設(shè)計，調(diào)理電路設(shè)計，微處理器的外圍電路設(shè)計，以及通信模塊的實現(xiàn)。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計 17 RX24TX25GND31ZigBee32U18DV3 圖 ZigBee 模塊電路連接圖 本設(shè)計中用到的 ZigBee 模塊引腳圖如圖 所示。利用 C8051F060 中的交叉開關(guān)，配置 和 分別為 TX、 RX。 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準頻率為。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。 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(qū)動電路。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。其中模擬電源和數(shù)字電源接 ，數(shù)字地和模擬地均接地。 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)計如附圖 1 所示。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(fù)雜且高速的數(shù)據(jù)采集功能。從圖中可知，當輸入信號幅值大于 5V 時，輸出信號最大為 5V。 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 。 電路元器件說明：電路前半部分設(shè)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(dǎo)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(dǎo)通，后續(xù)電路的最小值為 5V。 圖 中濾波電路仿真結(jié)果 限幅電路設(shè)計 如圖 所示，為信號限幅電路。輸入為 50HZ、 2V及1000HZ、 的電壓疊加波形。二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達式為： 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設(shè)計 14 ? ? 20c22c csAAss Q???? ?? () 其中 c? 為截止頻率 ， 此設(shè)計中 24 5 7 281c R R C C? ? ，品質(zhì)因數(shù) ? ， 當 2VA? 時電路穩(wěn)定， 1VA? ，即運算放大器的負端與輸出端短 路連接，從而滿足穩(wěn)定要求。 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。 圖 Multisim 中放大電路仿真結(jié)果 濾波電路設(shè)計 如圖 所示，為信號濾波電路。 仿真：如圖 所示為放大電路在 Multisim 中仿真 結(jié)果 。 電路元器件說明： 1RV 為變阻器，在調(diào)試電路時，根據(jù)需要改變變阻器的阻值來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。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 號送 至 采 集 芯 片 圖 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖 放大電路設(shè)計 如圖 所示，為信號放大電路。 振動信號調(diào)理電路設(shè)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(fù)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。因為輸出是固定的，所以電路很簡單。 電路元器件說明： MC1403 是低壓基準芯片。 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(shè)計 12 互不影響，都保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。 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。 如圖 所示，給出了電源轉(zhuǎn)換模塊的連接電路圖。 Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS