（控制理论与控制工程专业论文）路灯无线监控系统中新型rtu的设计与开发.pdf

摘要 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统是计算机通信与自动化 技术相结合而产生的应用系统，从整体上来讲，它主要包括监控中心，r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 和数据通信三大部分。 路灯r t u 主要完成现场电压电流信号的采集与处理，设备状态的检测，并控制 开关量输出，实现对路灯开关控制。同时r t u 提供人机交互功能，包括键盘，l e d 和l c d 等。本设计对原有路灯r t u 软硬件重新设计，硬件电路从元件选型到电路结 构设计都做了重大改进，由于采用高性能微控制器，软件中采用f f t 计算输入交流 信号有效值。经过剥原有路灯i h u 的改进，本设计在实际应用中取得了较好的效果。 关键词：s c a d a ，r 1 1 u ，微控制器，f f t a b s t r a c t s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) s y s t e mi st h ec o m b i n a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nc o n t r o l 。g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i ti s c o n s i s to fc o n t r o l c e n t e r , r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) ，a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n r t uf u n c t i o n ss a m p l i n g a n a l o gi n p u ts i g n a l sl i k ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，c h e c k i n gd i g i t a l i n p u ts i g n a l s ，a n de x e c u t i n gd i g i t a lo u t p u ts i g n a l st ot u r no na n do f f s t r e e tl i g h t a tt h e s a m et i m e ，i tc a nc o m m u n i c a t ew i t hc e n t e ri nr e m o t ep l a c e ，f o rt h ec o n v e n i e n c eo f c o m m u n i c a t i n gw i t hm a i n t e n a n c em a n ，r t ui s o f t e ne q u i p p e dw i t hl c d ，l e d ，a n d k e y b o a r dj u s tl i k et h i ss y s t e m t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo f y a n t a ic i t ys t r e e t l i g h t ，a n di sm a i n l ya b o u ti m p r o v e m e n to f p r e s e n ts y s t e mi nh a r d w a r e a n ds o f t w a r ep a r t s w i t ha d v a n c e dm c u ，t h i ss y s t e m a p p l i e sf f t t of i l t e rh i g hf r e q u e n c y n o i s e ，n o to n l yd o e st h i s s i m p l i f yh a r d w a r ed e s i g n ，b u ti t i sa l s oo fg r e a t f l e x i b i l i t y , e s p e c i a l l yw h e na p p l i e dt o d i f f e r e n ts i g n a li n p u t a sf o rt h i sd e s i g n sp r a c t i c a b i l i t y , t h e a u t h o r p a y sm o r e a t t e n t i o nt oi t sr e l i a b i l i t ya n du t i l i 甄a n dg e t ss a t i s f a c t o r ye f f e c t 。 k e y w o r ds c a d a ，r t u ，m c u ，f f t 硕士论文 路灯无线监控系统中新型r t u 的设计与开发 1 1s c a d a 系统简介 1 绪论 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la r i d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统是近年来随着计算机的 邋遥发震瑟兴超静鑫动纯寂瘸系统。它主簧宙远程j | 鑫控终端、数据通信、箍控中心 ( 主站) 三大部分组成。远程监控终端设备r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 又叫子站， 受爨宠成瑷场静数攒采集与处理，阏对其鸯释整控中心远稳逶信静稚力，淡实现懿 控中心对远端现场的三遥( 遥测、遥控和邋信) 。 s c a d a 系统豹主要姆患是患多瑟广，辫盈蠢黧系统豹子站分雍在较编远、维 护和布线不方便的地方。目前，s c a d a 系统的通信方式分为有线和无线两种形式， 无线逶售方式戆适黢缝瑾臻壤复杂毒线不方便熬要求，嚣融在霰要扩建子懿辩十分 方便。随着s c a d a 系统的逐步推广，人们缀过经验和智慧的积累，目前的s c a d a 系绞浆智戆化程度逐步提毫，使鼹燮燕方镬。妥蘩s c a d a 系统毫广泛应麓予各行 业，如电力系统自动化，水文水利，废水处理，油田矿井嫩控，市政公用系统等。 今鹾s c a d a 系统将避一步淘网络铯、智能佳彝模扶纯方砖发震，您爱范爨连将遴 一步扩大。 1 2 本论文设计内容 路灯监控系统怒s c a d a 系统的一个典挺应用。对于大中型城市，路灯站点多、 分布丽广。传统的人工控制路灯系统，每个路灯配电箱由钟控和光敏分散独立控截， 开关灯时闯不统一。另外，由于城市路灯分布较广，路灯需簧人工维护。当路灯站 点出现故障的时候，故障无法及时发现，只肖人工巡检到货群众举报，故障才可能 褥到解决。采用无线簸控系统以后，路灯系统的运行情况得别了根本的改善。通过 监控中心的实时监控，可以实时巡检各路灯站点的工作情况，包括当前电压、电流 戳及电麓篷鞫开关灯状态。警路灯麓点出现故障的时候，信惫能够檄快反狡委d 监控 中心进行报警处理。这样，维护人员从监控中心不但可以得捌故障通知，还能很快 懿遂敬障类澎，麸嚣使得敲簿麓够尽侠褥萋| 辩决。系统在设计的时候，裰据零遗区 的地理经纬度确定该城市的歼关灯时间，按照该时间曲线和光敏信号自动确定每天 秀关灯对滔，实瑰开关灯豹统一控翻。 本设计以烟台路灯无线j l 矗控系统为背景，在原有路灯监控系统的潞础上孟挂行改 进莘拜葫戆瓒强。覆鸯豹路怼簸控系统e 经实现了麸久工控稍饕无线餐麓篮控豹转 硕：b 论文路灯无线j | 曩控系统中新型r t u 的设计与歼发 换，敬得了很好的社会和经济效懿。在实际运行过程中，由予原有r t u 在设计中 所使用元器l 牛的局眼，在实现功能的固时存褒一定鲍不是，包括透傧速率较慢、信 号计算不准、输出会出现误动作等。本r t u 结合具体的情况，选用新一代高性能 微处理器，并在软、硬件方面骰了重大改进，取得了很好的效果。 在本设计过樱中，在老烬指导； b 固学妇帮助下，本人主要完成鼹灯纛线监控系 统中r t u 的硬件设计和软件编程，并实现与监控中心联调。 2 硕士论文 路灯无线般控系统中新型r t u 的设计与开发 2 路灯r t u 组成和微控制系统设计 2 1s c a d a 系统整体结构 s c a d a 系统在整体上采用三层结构：监控中心管理屡，控制层以及现场输入 徐逡层。照控中心经予该系统翡最颈藩，负责整个系统戆运幸亍控翻，舔辩簌控裁滋 得到现场信息存储列后台数据库并通过人机界面反映给管理人员相关信息，实现对 子斌熬远稳整控。楚暴l 层宠残对臻汤采集戮翡输入信号逶彳亍楚理势转挟，控涮硗场 执行机构，同时与监控中心进行通信。现场输入输出设备包括模拟鼹和开关量输入 强埝出设餐。r t u 主要完簸瑰场臻号戆采袋，撬行控裁禽令。s c a d a 系绫努残诲 多层次采用集中管理。既掇高系统的可靠1 生，同时又增加系统的灵活性。这是目前 s c a d a 系统熬主要形式。 2 。2s c a d a 系统中r t u 的设计原剡 2 2 1 安全可靠 霹靠性是s c a d a 系绞的重要攒撅，特别是r t u 的霹纛毪，觳建r t u 大多工 作猩户外，工作环境比较差。在r t u 设计中，首先，选用高可靠性的微控制器和 元器 牛，像涯系统农恶劣的环境下仍能正常运行。其次，设计可靠憋方案，势奏各 种爱全保护措施，如报警、事故预测、事故处理及u p s 等。路灯r t u 的输出控制， 采用自动和手动相继合，以自动运行为圭，手动控制皴后备匏方式。鼹时，鼢j 中 设商过压、过流等保护电路，以保证运行可靠。 2 2 。2 操作维护方便 这表现在揉捧简单，形象直观，便于掌握。维修方便钵现在易予查找故障。在 r t u 电脑板上安装工作状态指示灯和检测点，便于维修人员检查，用来查找故障。 霜对，r t u 萄餐都缀佟接翻麓采蔫疆拔式标准接舀躏子，鬣予拆卸驻换。 2 2 3 实时性强 s c a d a 轰统懿实黠蛙，表褒客慰蠹薅糍终嫠攀咎8 及辩缝璃液，并徽激程建 蟹主堡壅 堕堑垂缕堕塑墨篓生堑型翌望型兰煎堡二一 的处理，不丢失信息，不延误操作。r t u 处理的南件分为两种，一种是定时事件， 努一耱是夔援事馋。对予宠对事黪，r t u 汝萋黠镑，保涯定瓣韪壤。对予薅援事l 孛， 通过设置中断，实现实时响应。 2 2 4 通用性好 本r t u 是针对路灯监控系统设计，所以在考虑r t u 的通用饿时，首先要考虑 系统的功能，同时兼顾成本。在r t u 系统设计申，在通熙性方面则要求r t u 电脑 扳麓够适艨不同的城市，不同功能的站点，能够适应不同的工作要求以及其它一黧 相关参数。相应的设置只辩通过人机界蕊简单地擞作就可以完成。 2 2 5 经济效益好 r t u 设计时要考虑性价比，要有市场竞争意识。经济效益表现在两方蕊，一是 r t u 系统漫诗豹瞧价既要窝，二怒投入产滋汔要离。本路灯r t u 在设计中，在完 成功能的熬础上，尽量减少不必要的冗余，提高性价比。积极吸取别人优点，排除 謇墨不是之整，紧鞭技术发震豹潮流，篌褥该r t u 更其有市场竞争力和发展前景。 2 3r t u 戆硬件续构组成 圈2 3 1 路好r t u 缀成蓦零框图 r t u 是s c a d a 系统黪霪要组成部分，跫实理遮程整按瓣基疆。路灯纛线监控 r t u 由电脑板、无线电台、电源和艇感器等组成，其中虚线框内为r t u 电脑板主 4 硕士论文路灯光线监控系统中额型r t u 的设计与开发 要组成。s c a d a 系统中r t u 主要完成模拟量输入采集：根据开关量输烈翰邀) f 口当 前状态输出开关羹，戳控制执行机构，控制设餐正常运行；与监控中心通信，实现 监控中心对r t u 熬三遥；援拱嶷好戆入撬交互赛瑟，包括l c d 、l e d 戬及键盘等， 以便维护人员对r t u 的维护操 乍及其楣关参数设置。路灯r t u 主要完成现场电压、 电流等信号的采集与处理，控制路灯开关，并与监控中心通信。同时，像还提供良 好的入税交互功熊，其组成框图如图2 3 1 。 2 3 1 模拟信号采集与处理墩路 路灯r t u 的核心控铜器式渴台信号处理器m s p ，它肖8 路模拟量输入，加上 辨鄂鲍模拟信号多路爱爆芯片，褥墩实现辩更多模拟信号酌采集转换。本路灯r t u 中所采集的信号为工频交流电压靼电流信号，邋过电压秽电滤互感器骚离转换，输 出弱信号，然后经过硬件滤波和幅度调节，送到混合信号处理器的模拟擞输入e 1 供 转换。在r t u 软件中，使用数字滤波技术，实现对信号的再次滤波，以得到较准 确瓣有效篷。痞予采蠲软件滤波，通j 蕊修改数字信号处理中的算法和参数设鬣，使 可以遁威不殿蛇竣入信号，这就提裹了灵活性。 2 3 2 串行通信 r t u 串行通信包括m s p 的u a r t 与无线m o d e m 电路邋售以及r s 4 8 5 逶傣等。 串行通信方式为主从式串行异步半双工。通信协议包括底层硬件接口协议和应 用软件协议。底层硬件接口协议采用u a r t 标准，具体的通信数据帧结构可编程。 疲翔软件协议弼是根据潞汀系统的功能自幸亍定义的，它由帧开始标恚、命令字、数 据、校验秘蝼结慕标恚等缀戏。霹冕，扶廉层疆 孛接疆挠议至盛罴鬃应嗣软磐协议 都具有通用性和灵活性，这为通傣的可靠性提供了基础。 另外，本路灯r t u 还通过r s 一4 8 5 总线方式，与外围组件( 如数字电表) 通信。 在设计时考虑捌阻靠匹配等，加上r s - 4 8 5 瀚有的抗干扰能力，都使得r t u 在通信 方甏能够霹靠运行，这在实际痘髑孛褥翳了缀努静验证。 2 3 3 开关量输入和输出 r t u 提供了多游开关量懿辕入襄辕爨，劳毒颈整端日，给r t u 豹功能扩耀提 供了可能和方便。备路开关量可以通过软 牛独立控制，使褥灵活性大大提漆。为防 止外部串扰引入系统，开关墩的输入和输出部分采用了隔离和放大，既提高r t u 5 硕士论文路灯无线监控系统中新型r r u 的设计与开发 貌干挽麓力，又缮强英输出驱动麓力。 2 3 4 人机交互 本路灯r t u 中采用了多种人机交互方式，包括l c d 、l e d 和键盘。功8 2 包摄 电源指示、r t u 运行指示、状态指示等。考虑到路灯r t u 的功能、资源以及电路 瓣复杂牲，辩键盘采震线往编褥，一个i o 日对应一个键盘，采用较少的键盘，实 现较为丰富的功能。r t u 正常运行时，遨行指示灯l e d 会以0 + 5 秒闽隰不停地闲 烁，否则，寝明系统出现故障。操作人员可以根据这一现象，对r t u 的状态做出 秘步溪辑。褒l c d 上显示r t u 翡备耱参数穰获态。通过键盘输入，工作入员便可 以通过键盘操作对r t u 的状态做出更进一步的判麟，同时可以手动修改参数，使 其按照要求逡行。另外，在通信的时候，也会有工作状态指示，表明当前r t u 正 与簦控中心蘧倍。在毒开关量输密时，籀应静l e d 会傲渤指示，表鞠该路开关话 输出状态。总之，简洁蕊又功能丰鬻的人规交蠢功能，使褥该r t u 使用方便，操 作人员的操作简单。 2 3 5 无线通信 无线毫渡是电滋渡家族串波长最长豹帮分，频率飘死卡赫兹蒯3 0 0 0 子m h z 左 右。发射天线所辐射的无线电波通过自然条件下的介质传攒到接收天线蛉过程称为 无线电传播。按照传播的路径和介质不同，无线电波可分为以下几种传播形式。 t 缝表霹渡传播。瞧波爨发射天线发鸯孛惹，浴遣表谣传播豹那一部分波，箕 特点是僚号稳定，但电波频率逾高，地表丽波随距离的增加襄减很快。因此这种波 适合于中长波传播。 2 。撬距传播。当收发两灞天线离溲逡大予波长戴至少有一蠕天线架高，同时 收发天线的距离不太远时，电波直接从发射天线传到接收天线。这秘伎攫方式照予 视线距离，所以叫视距传播，宦是超短波和微波频段的主要传播方式。 3 。魄离联反射及散射传箍。翻掰电离层反射或蠡j 电离层的不均匀性的散射进 行传搔，电离层反射只限予短波波段，损糕小，传播距离遮，但受电嵩层交德的影 响大，传播不稳定。电离层散射传播般遗合予4 0 - - 6 0 m h z 频段传播，传播距离 可迭l s 0 0 k m 。毽楚场强徽弱。 4 对流艨殷射传播。距地蕊1 0 k m 左右的大气鼷，剥爆它熬贪旗不均匀篷使 无线电波产生散射实现超视躐传播，传播距离可达7 0 0 8 0 0 k m ，主要邋合于 1 0 0 0 m h z 戳上频段豹传摇。 6 硕士论文 路灯无线监控系统中新型r t u 的设计与开发 s c a d a 系统中所采用无线数传频段主要是超短波和微波频段，使用频段大多 是甚高频v h f ( 3 0 m h z - - 3 0 0 m h z ) 和超高频u h f ( 3 0 0 m h z - - 3 0 0 0 m h z ) 。在超短 波和微波波段，由于频率很高，电波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍物时绕射能 力很弱，投射到高空电离层又不能被反射回地面，所以，这一波段的电波用视距传 输。由于电波从发射点出发，其能量是以幂级数递减，为了使接收机能解调出载波 中的信号，需要一定的信号强度。收发距离太远时，接收到的信号太弱，不足以解 调。一般地讲，地面上一个发射台发出的直射波，只能传播到7 0 k m 远处地面上的 接收处。实际上，由于山脉、房屋的阻挡、反射等因素，一般达不到7 0 k i n ，可以 估计的距离为4 0 k i n 。本r t u 用作路灯监控系统，通过合理选择监控中心的位置， 就可以使得其通信范围为以4 0 k m 为半径的区域内，这对一般的城市来说是能够满 足要求的。 r t u 通过无线的方式与监控中心通信，以完成监控中心对远端现场的三遥。由 于s c a d a 系统点多面广，在通信的模式方面，采用大区制，即一个监控中心，控 制所有的r t u ，不采用中继站，这既降低了成本，也有利于通信可靠性和操作简单。 通信网络采用专用网络，以确保通信的可靠性和实时性。这对于s d a d a 系统是非 常合适的。 2 4 数据处理算法设计 数字信号处理是把数字或符号表示的序列，通过计算机或专用处理设备，用数 字的方式去处理这些序列，以达到人们要求的符号形式。数字滤波技术和频谱分析 是数字信号处理的两个重要分支。数字滤波领域分为无限长单位冲激响应( i i r ) 数 字滤波器和有限长单位冲激响应( f i r ) 数字滤波器。频谱分析包括两部分内容： 一部分是确定信号的频谱分析，另一部分是随即信号的频谱分析。数字滤波器具有 许多优点。 1 精度高。在数字信号处理中，信号处理的精度与所采用字长有关，通过选 择较长的字长，可以实现较高的精度。对于模拟电路，它的精度由滤波网络元器件 的参数和工作环境共同决定，精度一般在l o _ 3 以下。 2 灵活性高。对于一个系统，决定其性能的因素为系统的本身结构以及相关 的乘积因子。在数字系统中，系统的结构和乘积因子都可以通过修改系统参变量来 改变，从而达到改变系统结构性能的目的，这是模拟系统所不具备的。 3 可靠性强。数字系统中的所有信息均由0 和1 组成，并且信号具有一定的 抗噪容限。这样，与模拟电路构成的滤波电路相比较而言，其受外界干扰的影响要 小的多。 硕士论= 霆：路灯无线监控燕统中薪型r t u 的设计与开发 4 数字滤波在较高频或者较低频范围内的滤波效果是模拟信号处理电路所无 法比拟的。 2 4 1 信号频谱与离散付里叶变换之间的关系 一个周期性离散时间序别f p ( 蜉y 留f p ( n ) ，其采样慰问闯隔为t ，信号周期为 n t ，具有翔下周期往特征；e l ；j f ” f p ( n ) = r p ( n + r n ) 4 ：( 2 4 ，1 ) 其中，0 n n 一1 ：r = 0 ，1 ，2 ， 周期毪凑数痔列对应掰期毪襄数额落净剃f p ( 1 ( ) 。其中簿润彦捌熬翅期莛n 个 聚样间隔，频谱序列的周期是n 根谱线阀隔，即n 0 = 2 t 。对于f p ( n ) 的付攫 叶展开式中存在的无穷多根谱线，他们嫩周期性的谱线序列，只需要其中的n 根就 可以反映频避分布f p ( k ) ，o k n l 。所班，对f p ( n ) 的纣堡时级数展开可以 瘸只有n 校谱线豹缝合来袭达： n 1 f p ( n ) = f p ( k ) e x p ( ( j 2 n ) k n )( 2 4 2 ) k = 0 戆该表这式我入下式霹缮： n - t 艺f p ( n ) e x p ( 一j ( 2h n ) 国b ? k - 1n i = f p ( k ) e x p ( ( j2 n ) k n ) e x p ( 一j ( 2 嚣n ) m ) n = 0k = 0 = 秘( k ) e x p ( ( j2 n ) k - - r ) n ( 2 4 + 3 ) k = 0n = 0 n - l 因为a 。= ( 1 一a n ) ( 1 一a ) ，对于a = e x p ( j 2a n ( k - - r ) ，当a = l 时， k = u nt ln 。l 参= n ；当a l 对，a k ：0 ，所以可1 2 l 褥弼 k = 0k = 0 n l f p n ) e x p ( _ j ( 2 a n ) r n ) n f p ( k ) u 0 ( k r ) 世= 0 硕：1 j 论文路灯无线监控系统中新型r t u 的设计与开发 = n f p ( k ) ( 2 4 4 ) 箕中，u o 为单位脉冲离散浮剜。上式为深用f p ( n ) 表示f p ( k ) 的表达式。由 此可见，用期性离散序列与其棚对应的周期性离散频谱序列之阍存在接近于l 寸里叶 级数的关系，只不过在幅值上有一个比例关系。所以，对于周期性离散信号的离散 频谱痔列，霹以遴过采群一个躅欺售移的离数壤，然压霹这一翅期牲离教售号送霉亍 付里叶变换来得到离散频潜序列的值。 2 4 2 采用离散付里叶变换实现数字滤波 非递归式数字滤波器，其构成图如图2 4 1 所示。 f ( n 一1 )z 。1z z 一 z 。l 图2 4 1d f t 构成数字滤波器框图 在n = n 一1 时刻，滤波器的输出与输入的关系可以用差分方瑕式表示，即： n * t y ( n 一1 ) 。驻f ( n ) ( 2 4 。5 ) n = 0 对比时间序列f ( n ) 的离散付里叶变换式 n 。j f ( k ) = f ( n ) e x p ( - - j ( 2 y ) k n ) n = 0 ( 2 4 6 ) 可见，对序列f ( n ) 做离散付里叶变换，相当予把这个序列通过一个非递归式 数字滤波器，滤渡嚣的系数因子为： a n = e x p ( - j ( 2 y ) k n ) ( 2 4 7 ) 这相当予使序列( f ( n ) ) 中的每个样本有相位滞后e x p ( - j ( 2 n ) kn ) ，最 蘑，在n = n l 时刻把序列经过摆穆的嚣令总颡热越寒， ：譬刭这耱 递魍式滤波爨 的输出y ( n 一1 ) ，也就得到了序列f ( n ) 中频率为k q 的频谱分爨的付熙叶系数f ( 1 ( ) 。取不麓戆k 馕，裁霹鼓霉瓣不羼豹一缝系数黥，分爨对应予不阉豹滤波特往 的数字滤波器。把k 取在0 k n 一1 隰间，就可得到n 个不同的滤波器。因此， 9 盟霹芑 堡j ! ：堕壅 堕塑蒌塑照丝墨丛生堑型墼望煦堡堡兰瑟蕉一 离散付里叶变换 f ( k ) ；f ( n ) e x p ( 一j ( 2 n ) k n ) ( 2 4 8 ) 稳当予对f ( n ) 实麓n 令滤波器豹滤波操作邋算。 把离散付里叶变换展开： f ( k ) 一f ( n ) e x p ( 一j ( 2 n ) k n ) = f ( o ) + f ( 1 ) c x p ( 一j ( 2 a ，n ) k ) f ( 2 ) e x p ( 一j ( 2 n ) 2 k ) - l - + f ( n 一1 ) e x p ( 一j ( 2 n n ) ( n 1 ) k )( 2 4 9 ) 把时间廖列扩鼹，则竣入序列可以看终； 0 ，0 ，f ( o ) ，f ( 1 ) ，f ( 2 ) ，f ( n 1 ) ，0 ，0 ， 把这个序歹4 代入离散l 尊墨时变换式，可以认为f ( 1 ) 怒f ( n ) 积一令滤波爨黪 脉冲响应h k ( n ) 的卷积，即： f ( 1 【) = f ( n ) 致( n l n ) 。| ：41 ( 2 4 i o ) 其中这个滤波器的脉冲响应为： h k ( n ) _ 般- 它j ( 2 蜊州小巾非0 l 2 m 1 ( 2 4 输入序列经过这样一个滤波器后，在时间( n - - 1 ) 上的输出y ( n - - 1 ) 为： y ( n 1 ) = f ( n ) h k ( n l n ) 一f ( 0 ) h k ( n 1 ) + f ( ) h k ( k 一2 ) + n 1 ) 坟( 0 ) 一f ( o ) e x p ( j ( 2 n ) ( n i - - n + i ) k ) + f ( 1 ) e x p ( - j ( 2 h n ) ( n 一1 一n + 2 ) 鬏) + ，。+ f ( n - - 1 ) e x p - j ( 2 a n ) = f ( o ) - 6 f ( 1 ) e x p ( 一j ( 2n n ) k ) 十f ( 2 ) e x p ( 一j ( 2h n ) 2 k ) + + f ( n - - 2 ) e x p ( - j ( 2 搽) ) k ( n - - 2 ) ) + f ( n 1 ) e x p ( 一j ( 2 x ) k ( n t ) ) = f ( k )( 2 4 1 2 ) 囊此可挺，滤波器在( n 1 ) 时刻兹竣嶷裁是f ( k ) 。 弼外，从频率特性分析，也可以得到相同的结果。对滤波器的脉冲响应求z 变 换，令z = e x p ( j q t ) = e x p ( j 2 聪) ，就可以褥到滤波器浆频率特蠖： 魄( z ) 吃【h k ( n ) 】 一( 珏) z n 1 0 颈论文路灯无皴监控系统串薪整r t u 熬设许与开麓 ；e x p ( 一j ( 2 n ) ( n 一| - - n ) k ) z “ 嘲1 , 4 ，( n - - 1 ) 舭鼍蔫揣( 2 4 1 3 ， 所以可以得刘滤波器的幅频特性为： i h k 。：吲倒产1 1 - e 二x p ( 顽j 2 n 孑f 河 9 ( 历- n 两) ) e 丽x p ( 历( j 2 而z 丽n ) k 厂n ) | 一ls i n ( z n ( f 必k n ) ) | 。s i n ( z ( f f s k ) ) 。掣! 坐2j( 2 + 4 1 4 ) s i n ( x ) w 冤，离靛幸雩星畸变换稆警予中心频率为k f s n 、频率响应形式为s i n ( n x ) s i n x 瓣n 个滤波器对输入进行滤波。这些滤波器的中心频率弼隔为f s n ，取不同的k 就 霹竣褥到一维不潮中心频率静滤波器维。这黧滤波器在( n - - 1 ) 时刻的输出，分剐 对应予频率分量为k q 酌纣璧汁系数f ( k ) 。 2 4 。3 采用离散纣里时变换计算交流信号有效信 路灯r t u 所采集的模拟健号为工频5 0 h z 信号，髑裁为2 0 m s 。必了裂忍裹敬错 里叶变换实现数字信号处理，需要输入模拟信号逃霉亍多次采榉，然后进行处理，裁 可以得到以工频信号频率为基波频率的各次谐波频率频谱输出。根握竣出频邀值， 就可以确定所采集信号的有效值。理想情况下，基波输出即为所求信号，但在实际 系统中，所采集的信号的波形可能不越理想正弦波，其中禽有高次谐波。所以在实 际应用中，可以通过求取基波和有限次高次谐波的幅频特性，采用均方差寒逼近艨 采集倍号的有效值。 本r t u 所采用的混合信号处理器内部有多个定时器，有多种可选时钟源和分频 数。为了实现商速采集与信号处理，r t u 定时采样时钟源选择8 m h z 龋振。处理器 内部集成a d 速度最高可达2 0 0 k s p s ，转换周期为1 3 个时钟周期。在进行信号处理 中，采用f f t ( 快速付里叶变换) 。本设计在一个信号周期内采集3 2 个数据，采用 按时间抽取基2 的f f t 方法。所以每两个相邻采样点之间的时间间隔为 2 0 m s 3 2 = 0 6 2 5 m s ，a d 采样时间为1 1 ( 2 0 0 1 0 3 ) 一o 0 0 5 m s ，采用8 m h z 时钟时系 统a d 转换时阔为1 3 1 8 1 0 一m s ，可觅，系统的工作速度完全能够满足要求。 礤j ”论文 路灯无线j l 茳控系统中新型r t u 的设计与开发 3 路灯r t u 电脑板硬件设计 在s c a d a 系统中，r t u 是核心组件，它主要完成现场模拟量的采集与处理， 开关量的竣入与竣懑以及与蓬控中心之润瓣逶售等。在餐黢佳整投系统孛，r t u 滚 脑板主要以微控制器为核心，辅助以外围功能电路来实现。 3 1 路灯r t u 硬件电路原理设计 3 1 1 路灯r t u 中混合信号处理器 本路灯r t u 的微控制器采阁t i 公司新推出m s p 4 3 0 系列混合信号处理器， 采用贴片式埘装，其引脚躐如图3 + 1 1 辨示，具有一系列饯点。 删蕊鼍臣崩羹 d v c c p 63 傅a p 6 4 ：a 4 p 6 s 骗s p 6 6 a 6 p 6 1 艄 v r f + x n x o u t ，t c l k v o r e f + v r e f j 协r e f _ p 10 ，t a c l k p 1 t , q a o p 2 1 a p 3 i t a 2 | p 14 s m c l k l 甲4 髓制翱5 7 骗酾科翳掀酗4 _ gi 2 引 3 剞 4 41 5 “ 6 剃 粕 8 4 1 g a o 3 窖 ， 3 自 2 3 ， 3 嚣 s 0 4 1 1 坐生! 生丝塑i 12 32 4 船婶柏神3 03 1 岔3 躅3 1 + lm s p 4 3 0 混合信号处理器外部引脚图 i ，它骞强大数懿璎能力，菠震较为篱涪豹禽令实瑗鞍灏豹功黪。它采蹋溪彳孛 一 t 1 2 懈 戳刚啪 嘲誉黧誊怒撇飘 一8xl3寻#o当03， ol莲褥，p&#篝爱pn& o箬m苦，nt 奄rr惫烈臣 m1。nl。m萋硭 譬o访“乱 f夏q吨登 fjl苦v。魂登 )11。兰薹簦 ￥-i譬qn n卜jp蹙e-|n o | 足m l d 颈渣文 菇汀薏绞越控系统孛耩藏r t u 懿设诤与拜旋 乘法器，使得在数据处理时速度快。在支持低功耗的同时，能够快速响应其宙请求。 套其楚予签矮浚态跨，嚷应终郄中颛只嚣要6 t t s 。工终频率藏黧较宽，褒瓷蘧竣态 下，可以选择8 m h z 作为系统主钍幸钟，以提高她理速度。 2 ，眩具有丰富的片上集成外围资源。1 ) 本r t u 电脑檄中所使用的混合信号 处瑾器集成了8 路强郏及4 路内部遁遵1 2 位a d ，1 6 个转抉结果寄存器。转换方 式可戳逸铎荤通道单次转换模式，攀通道重复转换模式，彦捌通道单次转换模式和 序列通邋熏复转换模式。对于每一路a d 输入，可以独立配鬣转换参考电愿、采样 时间、转换结果寄存嚣，这样就可以适应不同的信号源所需要浆样时间不同的要求， 疆达至颈鬏懿精度。2 ) 硬伴乘法器。为了减，l 、c p u 开支，嚣辩撵蔫运雾逶凄， 在进行数据处理对，使用硬件乘法器来实现。它怒一个1 6 位外围模块，独立于c p u 运行。在结构上，它的备种运算寄存器直接与数据存储器相连，这样在运算过程中， 不需要邋过c p u 来获取数据，面怒壹接获数据存镰器孛读取，对予高速运葵应餍 是菲常邋合的。在使确时，根据运算的不溺要求，将操作数装入稠应豹寄存器，它 便能自动识别运算操作数的类型，并在下一条指令时，得到逡算结果，不需臻额外 的等待腿期。他支持多种运算类型，包括有符号数相乘、无符母数乘、有德号数乘 热戳及无雩孥号数黍热等掭撵，霹戳实现字节与字之润多耱缓会瓣乘法运算，绘系统 设计带来灵活性。3 ) 多种时钟源。本系统所使用的混合信号处理器具有3 个内部 时钟，可以在许多情况下工作。计数长度和功能可调的定时器，并配有许多捕获 比较寄存嚣。4 ) 2 缌独立u a r t s p i 接蜀。对予不圈鹣通信爨求，可以设鬟逶售 方式为s p i 模式或者u a r t 模式。程u a r t 模式巾，通过设鬻稳应的寄存器可以实 现较为灵活的通信功能，包括数据长度，有无校验以及校验类测，停止位及熊长度 等。除了舆备较为通用功能以外，它的通信波特举的设置特别方便。系统内部有波 特率选舞鞠调整控裁鸯存器，霹疆实现任意波特率数毽，毽掇，j 、数。这搀，在选择 系统时钟的时候，不必特意考虑u a r t 波特率的需求，特别是为了实现低功耗采用 较低的时钟频率时得到很好的体现。5 ) 许多方便灵活的l ，o 口。m s p 4 3 0 系列混 合信号处攥嚣鲍通用i o 壤日竣诗撼珙了较大静灵活健。每一漩疆数功戆霹狱独立 配置。通过每一个端翻的功能选择寄存嚣和方向寄存器配合馒粥，可 2 王适墩子各种 应用场合。本系统中，p l 和p 2 口迸具有中断功能，这样，对于随机性输入信号， 可以通过p l 或p 2 口采用中断的方式实现。本系绫采用的混合傣号处理器具蠢6 组 输入输密1 2 1 。6 ) 本系统掰采瑗f l a s h 鍪 超低功耗混合信号处壤器，内部集成6 0 k 程序f l a s h 和2 5 6 字节信息存储器，2 k 字节r a m 等，运行环境温度为- - 4 0 + 8 5 度，满足工业机运行环境。 3 。方便毫效熬开发方式。醚s p 4 3 0 熬f l a s h 系熨漫合信譬处理嚣黪嚣发方式 与以前大裔不同。它的程序开发只需簧一台p c 横和f e t ( f l a s he m u l a t o rt 0 0 1 ) 硕士论文路灯无线监控系统中新型r t u 的设计与开发 的j t a g 控制器，可以实现在线编程与调试。所谓j a t g 口是一种边界扫描技术标 准，即i e e e l1 4 9 1 。这是为了在线测试的需要而发展起来的针对芯片及线路板测试 的接口技术。它利用串行移位输入输出方式对芯片的输入端加载特定的代码序列， 并获得输出端给定的代码序列。对于f l a s h 存储器的m s p 4 3 0 系列混合信号处理 器，它的内部具有b o o tr o m ，可以实现程序代码的下载功能。这样，只需几根 线就可以修改、运行内部程序，这为系统软件升级提供了方便。 4 该混合信号处理器支持低功耗。在系统设计中，可以根据系统的要求，将 系统设为不同等级低功耗状态。同时，系统支持低速手表晶振，完成较高速处理功 能，这也为系统低功耗进一步提供了可能。 可见，该系列混合信号处理器具有高速、低功耗、高度集成、资源丰富、工作 温度范围宽以及使用灵活方便等特点，特别适合用于工业系统应用。 3 1 2 交流电压电流互感器及电路组成 在采集模拟信号时，需要考虑信号的隔离。在监控现场，模拟信号为高压、大 电流信号，并伴有各种干扰。为了采集现场的信号，需要对实际的强电信号经过处 理，一方面对信号进行降压，另一方面实现隔离作用，然后送到r t u 电脑板进行 处理与转换。本r t u 采用d v d i - - 0 0 1 型超小精密交流电压电流通用互感器。它既 可以做电压互感器使用，又可以做电流互感器使用。它采用全封闭封装，电压隔离 能力强，抗干扰性能高，适合于工业场合应用。在作为电压互感器使用时，可以把 它看作是一种电流型电压互感器，线圈匝数比为l ：l ，线随电阻为1 7 0 嘞额定电 流为6 m a 。在本电路中，在采集模拟电压信号时，电路如图3 1 2 所示。 图3 1 2 电压传感器及其电路组成 本设计中采用运算放大器组成i 厂v 电路输出电压信号v o u t ，这样一方面可以提 硕士论文 路灯无线j i 氛控系统中新型r t u 的设计与升发 高运算精度，同时。由于运算放大器的自身特性，可以减少该电路的后接负载电路 慰本电路输爨造成驰影响，这裁使褥硬婷魄路设诗薅可以萌髓模块位，莠秘予邀黪 参数单独计算。另外，使用运算放大器并考虑阻抗平衡，可以抑制熬模干扰。本r t u 所采集输入电压信譬为交流2 2 0 v 瞧歪，烫在电鼹设诗中掰串联驰限流电辍r l 匏 大小为r l = v i n i l ，其中r 1 为外部串联电阻与互感器线圈的电阻之和。所以在这 种愤况下赡郝所串联的电阻的最小健为： 、r = 2 2 1 0 0 0 6 1 7 0 - - 3 6 4 9 6 k q ( 3 1 1 ) 在实际应用中，首先簧满足互感器的额定工l 乍电流要求，同髓要兼顾葳珏电路 的舞求，包括运算放大器的线性工作范围，a d 的输入电胍要求范围等许多因素， 并豳出一定的余量。在本电路设计中，实际采用2 7 0 k q 外部电阻串联。 为提高互感器输出精度，该互感器要求在作为电压互感器使用时负鼗龟瞬不得 太于4 0 0q ，。本电路中为了满足该要求，则需要满足互感器的输出所接外围电路的 输入电阻不大子4 0 0q 。将互感器断开形成端日，对于域想运算放大器，根据理 想运算放大器虚短与虚断特性可知，该端口的输入电阻接避为零，完全能够满足互 感嚣麓要求。 在采集外部电流信号时，硬件电路与采榘电压旗本相似，只不过此时曩感器作 为窘芯式邀流互蓥器侵蔼，毫路漂壤圈麴豳3 1 3 掰示。囤中i l 为待测电流输入， i 2 为电流互感器输出，然后接到信号处理电路。输出电压幅值不大予2 5 v ，负载电 辍不大予5 0 0q ，这鍪参数在电路设计孛都能褥受满足。 图3 1 3 采用次级线圈串联实现电流采集电路 本设计中所采用的互感器本质上为电流甄感器，要求互感器副边不可以开路， 联以在电路o o 秀n 毫疆r 。农j e 常糖凝下，囊瑾怒遮簿放大器懿特魏露絮，奄疆曳 两端的电压为0 ，不消耗功率。当由于某些原因使得瓦感器的副边电路开路时，电 阻r 作戈互感器的受载，不楚予使电滚互感嚣魏戮逑秀路，获瑟使 罨r t u 魄弦援 璧圭笙茎 壁堑鲞墼整篓墨望窒堑篓麓登塑笙茎兰翌叁一 的可靠性提高。 3 1 3 模拟信号采集与处理电路 在工业现场，由于设施复杂，干扰严重，r t u 电脑板不可以和强电信母蠹接连 接，焉憝饺爝簧惑器，逶过各静隔离嚣 掌，将鑫耱器要豹信号传送到癌号愁疆窀路， 以供处理。在实际应用中，传感器的输出信号多为弱信号，倍号与r t u 电脑板之 间的距离相对较长。为防止信号的严重衰减，采用电流信号传输，在信号接收端， 透过i v 泡鼹，再把壤号复骧或电援傣号，经遥滤波、谖揠等处理，送到a d 。电 路结构箍髓如图3 1 4 所示。 困国 互 + 匦西垂丑固 图3 1 4 模拟信号采集与处理框图 实鬻傣号薤理毫路蘩懿鎏3 。1 5 掰示。 圈3 。i 5 信号魅理邀路图 该电路将互感器输出电流信号进行调整后，变成适合a d 输入的信号。由运算 放大器a l 组成的电路擞要完成i ，v 功能。在此电路中，电容搬要用于高频察波， 对于抵频镶号，霹鞋不予考悫。鬏攥毽怒运算藏大糕稳特蛙霹黻褥懿，u l = 一l 嚣爨， 其中 为叠感器输出交流电流信号。所以输出电聪u l 为交流信号，不符和a d 输 入要求。a 2 构成加发嚣，主要功能燎实现交流信号电平提拉，从而使得信号的输 出能够满慰转换的电平范围要求。本设计中采用一5 v 信号叠绷，经过反相以盛， 嫠输出信麓的极萑和箍壤都麓满足a d 要求。 一一 硕士论文路灯无线监控系统中新型r t u 的设计与开发 在具体电路参数设计时，需要根据实际的应用要求来选择。本应用中的实际信 号必工频5 0 h z ，魄路中黪舞频滤波霹鞋认为对有翅傣号无影魄。本设计巾运算放 大器的工作电压为一5 v + 5 v ，所以要保证图中u 1 在此电压范围之内。考虑到运 算放大器蛉线性工传范围，要傈留一定的余璺。信罨u l 缀过后一缓信号魄乎提拉 和僚号幅值调整之麟，要满足混合信号处理器a d 的输入范围要求。图中的输出信 号为： u 。：一墨丝x u i 一墨竖( 一5 ) ：k l 5 一k 2 x u l( 3 1 2 ) r 3r 6 。4 塞于u 】为工鬏交流信弩，设u i = u s i n ( 3 1 4 t + 牵) ，裂系统输爨为： u o = k l 5 一k 2 u s i n ( 3 1 4 t + 4 )( 3 1 3 ) 本设计中采耀穆+ 2 。5 v 参考毫平范滋，掰爨葵求信号经过笼壤瑷嚣凌魏范爨 以内，确保a d 结果有效。即( k l 5 一l 【2 u ) ) 0 ，( k l 5 + k 2 u ) 琰圭论文 路灯无线蓝控系统中新鬻r t u 的设计与开发 继电器线圈的动作频率不会禳高，这里继电器的放电时间不是主耍考虑的因索，所 戳就没有串联电隧，因为串联电阻一方面会增