【正文】 海交通大學研究了通過對輸電設備現(xiàn)場實際氣象條件和輸電線路自身屬性參數(shù)等數(shù)據(jù)的綜合分析來實時動態(tài)確定輸電容量的監(jiān)測系統(tǒng)；視頻遠程監(jiān)控方面，隨著三大電信運營商 3G無線通信網(wǎng)絡的社會化和商用化，使得輸電設備遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用發(fā)展迅速，在20xx 年南方電網(wǎng)冰雪災害事故中，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠程 查看桿塔、導線的現(xiàn)場覆冰情基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 2 況，有針對性地指導除冰融冰工作，總體上取得了比較理想的效果，武漢星創(chuàng)源科技有限公司，北京得多電力技術有限公司，杭州東信電力科技有限公司研制了系統(tǒng)化的諸如輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路微氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路風偏在線監(jiān)測系統(tǒng)，輸電線路導線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)等專業(yè)性的輸電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)一個屏幕控制整個電網(wǎng)的目標。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要研究的內(nèi)容是設計 出對高壓輸電桿塔振動的識別 單元，整個單元的設計分為硬件部分和軟件部分，主要實現(xiàn)的 內(nèi)容 具體 可分為三個部分：信號采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信技術。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號，送入單片機。同時利用無線通信 ZigBee 技術將判定結果實時的發(fā)送至遠端的上位機 主站 。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 3 2 輸電桿塔振動識別單元的整體設計方案 輸電桿塔振動識別單元是針對輸電桿塔特殊的高聳入云結構及所處的特殊外部環(huán)境，設計的一套針對高壓線路桿塔的振動識別實時系統(tǒng)。 其連接示意圖如圖 所示。經(jīng)調(diào)理電路處理后的信號，送入單片機。同時利用無線通信 ZigBee 技術將判定結果實時的發(fā)送至遠端的上位機 主站 。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 4 放 大 電 路濾 波 電 路 跟 蹤 限 幅 減 法 反 相S i g n a lS i g n a l電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電源2 .5 V? 3 .3 V? 5 V? 12 V?24 V?傳 感 器 12 V? 12 V? 5 V? 5V? ?微 處 理 器C 8 0 5 1 F 0 6 0A D C 0UART0電源Z i g B e e模 塊U A R T發(fā)送至遠端 圖 系統(tǒng)硬件設計結構框架 傳感器 系統(tǒng)采用秦皇島朗斯公司 LC01 系列的內(nèi)裝微型 IC 放大器的振動傳感器 LC0104，在傳感器內(nèi)部，它將傳統(tǒng)的壓電式 加速度傳感器與電荷放大器集成在一起，同時它兼容性良好，能直接與具有記錄、顯示功能的采集儀器相連接，從而很大程度上降低了測試系統(tǒng)的復雜性，同時在確保系統(tǒng)可靠性的情況下，提高系統(tǒng)的測試精度，該類傳感器廣泛用于航空航天、電力、機械、鐵路、橋梁、建筑、車船、地質(zhì)等領域。傳感器信號輸出具有兩線聯(lián)接特征，信號輸出線與供傳感器工作用的恒流源輸入線為同一根線，另一根線為地線。 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指標參數(shù)如表 所示，另有指標如下： 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計 5 激勵電壓： 1830VDC，典型值： 24VDC 表 LC0104 技術指標參數(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 個數(shù)字 I/O 引腳。 本文用到了微處理器中 ADC16 位數(shù)據(jù)采樣、 DMA 接口、 UART 串口通信、定時器。兩個 ADC 及相應的跟蹤保持電路都可以被獨立使能和禁止。 DMA 接口的作用是與 ADC 協(xié)同工作，將 ADC 輸出數(shù)據(jù)在不經(jīng)過處理器指令而直接寫入指定的 XRAM 區(qū)域。它可以工作在半雙工同步方式和全雙工一步方式。 UART0 提供四種工作方式，四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。其中定時器 0 和定時器 1 有四種工作方式；定時器 定時器 3 和定時器 4 是 16 位自動重裝載并具有捕捉功能的定時器，這三個定時器用法完全相同。 ZigBee 技術是一種短距離、低功耗的 無線通信 技術。其中物理層和媒體訪問控制層遵循 標準的規(guī)定。 本文所采用 ZigBee 模塊是基于 ZigBee20xx 協(xié)議，可視傳輸距離可達 1600 米的ZigBee 技術應用，該模塊具有自動組網(wǎng)的功能，所有的模塊上電即自動組 網(wǎng)。 本文中配置振動識別端 ZigBee 模塊為 Router，用來為下位機收發(fā)數(shù)據(jù)；上位機端ZigBee 模塊為 Coordinator，作為組網(wǎng)的主機；當全部上電， Coordinator 自動將所在范圍內(nèi)所有 Router 組網(wǎng)并分配 地址。 ZigBee 模塊參數(shù)如下： 輸入電壓范圍： ，標準電壓 ； 串口速率可設置 9600bps， 19200bps， 38400bps， 57600bps， 115200bps； 無線頻率： (2460MHz)； 傳輸距離：可視，開闊，傳輸距離 1600 米； 工作電流：發(fā)射： 120mA（最大）， 80MA（平均） ， 接收： 45mA（最大）， 待機： 40MA（最大）； 接口： UART 。 12V，直流 5V轉(zhuǎn)177。在本設計中用 IA_S2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)直流 5V 轉(zhuǎn) 24V、177。 5V；用 AS1117 低壓差的線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)直流 5V轉(zhuǎn) ，用 MC1403 實現(xiàn)直流 5V轉(zhuǎn) 。 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器采用厚膜電路、高效的穩(wěn)壓芯片、陶 瓷電容，全 SMT加工工藝，性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠。 如圖 所示為 IAS2W 系列引腳圖。外圍應用電路簡單，固定電壓版本只需要輸入輸出兩個電容和負載。本文選擇 輸出版本供微處理器芯片使用。 MarkSOT2231 2 3 圖 AS1117 引腳排列圖 AS1117 固定版本典型應用如圖 所示。它采用 DIP－ 8 封裝，引腳排列如圖 所示。 M C 1 4 0 38 7 6 51 2 3 4V i n V o u t G N DN CN CN CN CN C 圖 MC1403 引腳排列圖 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 8 軟件設計方案 振動識別單元由安裝在桿塔上的傳感器模塊 +微處理器 +ZigBee 無線通信 +PC 監(jiān)控中心組成，軟件設計涉及到對信號的采樣，采樣數(shù)據(jù)的運算，及與遠端上位機的通信程序。 C8051F060具有兩個 16 位、 1Msps 的 ADC，帶 DMA 控制器， 4k 片內(nèi) RAM，兩個 UART 串行接口，以及定時器可供使用，能滿足軟件設計的配置要求。 開 始局 部 采 樣振 動 預 判 斷完 整 采 樣F F T 變 換有 無 振 動發(fā) 送 振 動 識 別 信 息有 無 上 位 機 召 喚 指 令發(fā) 送 當 前 信 息結 束無有無無有有 圖 系統(tǒng)軟件設計程序流程圖 從圖中可知，軟件設計部分也涉及到系統(tǒng)設計的三個主要具體功能，信號采集部分，數(shù)據(jù)處理部分，以及信息通信部分。 本章總結 本章主要介紹了輸電桿塔振動檢測系統(tǒng)的整體設計方案，并分別，對其中的硬件設計方案及軟件設計方案進行了詳細的介紹，在硬件設計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計 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。系統(tǒng)的整體設計思路，讓 我們在做系統(tǒng)之前有一個明確的認識，能更好更清晰的去完成每一個環(huán)節(jié)。 在硬件電路設計方案中，我們可以看出，在調(diào)理電路中，我們需要能提供直流 24V，177。 5V， ， 的電源。 電 源 轉(zhuǎn) 換 模 塊輸 入電 源 2. 5 V? V?5V??12 V??24 V?傳感器供電運放供電運放供電加法電路單片機供電 圖 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換示意圖 在本設計中，我們改變變阻器阻值設置電源轉(zhuǎn)換模塊輸出為直流的 +5V。為后期的 使用提供更多的選擇 。其引腳圖如圖 所示。 IA0505S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標稱值 5V，輸出電壓標稱值 5VDC? ，輸出電流 o20 m A I 20 0 m A?? 。 +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。供 C8051F060使用。 MC1403 電路連接圖 +5VC13Vin1Vout2Gnd3U7MC1403 V 圖 芯片引腳連接圖 電路功能：這部分的電源轉(zhuǎn)換模塊作用是輸出固定 電壓，作為減法電路中的減數(shù)。一般用作需要基本精準的基準電壓的場合。就是 Vin 接電源輸入， GND 接底， Vout加一個 ~1uF 的電容就可以了。 整個調(diào)理電路是由電流穩(wěn)壓電路、放大電路、濾波電路、跟隨與限幅電路、減法與反相電路組成。 電路功能：放大信號；傳感器采集的信號是很微弱的，因此首先將信號做放大處理，本文采用簡單的同相放大電路，利用 R3 和 RV1 的 阻值比例關系，達到放大信號的目的。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 13 3261 574U21KR3+12V12VC2C3R220KRV1C1Single_In1Single_Out1 圖 信號放大電路 其放大的輸出信號 outS 計算式為： 31out3 inR RVSSR?? () 因此電路的放大倍數(shù)為 ? ?3 1 3VA R RV R? ?? 。輸入 為 50HZ、 2V的正弦波形，放大倍數(shù)設置為 3VA? ? 。 電路功能：采用二階有源低通濾波器，濾去信號中的高頻部分。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，本設計中同相比例放大電路的電壓增益設置為 1，即 0 1VFAA??。 3261 574U4C28R5+12V12VC10C81uFC7R4Single_In2Single_Out2 圖 濾波電路 仿真： 如 圖 所示為濾波電路在 Multisim 中仿真 結果圖 。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。 電路功能：限幅 、分壓，限制輸出信號的幅值，并使信號輸出幅值在一定的范圍內(nèi)，主要是滿足單片機采樣引腳輸入電壓范圍為 之 間的硬件要 求，使輸出信號為單片機可用的有效信號 。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 15 RV2 為變阻器，通過變阻器的阻值變化，改變輸出信號大小。輸入為 50HZ、 10V 的正弦波形。 圖 Multisim 中限幅電路仿真結果 微處理器芯片外圍電路設計 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或兩個周期內(nèi)完成，片內(nèi)集成了兩個 16 位、 1Msps 的 ADC，帶有 DMA 控制器，可以很方便地在短時間內(nèi)采集大量的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集時， C8051F060 的內(nèi)部硬件資源使用如下圖 所示。 C8051F060 芯片中， AV3 是模擬電源端， DV3 是數(shù)字電源端， AGND 是模擬地端，GND 是數(shù)字地端。 基于無線通信的輸電桿塔振動識別單元設計 16 JTAG 調(diào)試接口 圖 所示為單片機 JTAG 調(diào)試外圍接口電路，片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允