（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga的智能电缆路径检测仪的研究.pdf

摘要 智能电缆路径检测仪是一种智能化地下电缆路径探测设备，可以根据实际情 况的需要采用多种工作模式探明地下电缆的路径信息，在城市改造频繁的当代社 会中应用非常广泛。 本论文提出了智能电缆路径检测仪的基本构架和工作原理。以a 、，r 单片机 + f p g a 的主从构架作为电缆路径检测仪的控制和数据处理核心，通过单片机和 f p g a 对其外围各个模块的控制和数据处理，同预处理电路相配合，完成对地下电 缆信号的高速采集，对路径检测结果的实时显示。论文介绍了单片机和f p g a 外 围各模块的详细信息和相互关系，阐述了单片机和f p g a 各个程序模块的设计思 想，并给出了相应的程序仿真结果。 a v r 单片机和f p g a 的主从构架的应用，简化了仪器的设计步骤，提高了数 据的传输速率，实现了对地下电缆信号的高速采集处理，而且比采用a s i c ( 专用 集成电路) 设计大大降低了硬件成本，使得我们可以在降低成本的同时，实现路 径检测仪的各项主要功能。 关键词：智能电缆路径检测仪a 订t 单片机f p g a 主从构架 a b s t r a c t t l l ei n t e l l i g e n tc a b l ep a t hd e t e c t o ri s0 n ek i n do fi n t e i l e c 咖l i z e d b u r i e dc a b l ep a t h d e t e c t i n ge q u i p m e n t w ec a j lu s em a i l yw o r k i n gp a t t e mt op r o v eb u r i e dc a m e sp a t h i n f o n t l a t i o na c c o r d i n gt ot h ea c t u l a ls i t u a t i 彻i ti s w i d e l y l l s e di n c o n 蛔n p o r a 巧 s o c i e 饥w 1 1 e r e 证b a i lt r a j l s f o m s 舶q u e n t l y t 1 1 i sp a p e rp r e s e m sm ei n t e l i i g e n tc a b l ep a md e t e c t o r sb a s i cs t r i l c t u r ea i = 证w o r 虹n g p 血c i p l e w eu s e 龇m a s t e r - s l a v ea r c l l i t e c t u r eo fa v rm c u + f p g a a sm e 咖l ep 础 d e t e c t o r sc 0 1 1 t r o la i l dd a t ap r o c e s s i n gc o r e t h r o u 曲t 量l e i re x t e 删r n o d u l e sc 伽仃o la i l d 出瞳ap r o c e s s i n gb ym c u 觚df p g a ，m a t c h e d 诵t l lp r e p r o c e s s i n gc i r c 毗，i t m p l e t e s t h e1 1 i g l l s 】p e e ds i 印a la c q u i s i t i o nt 0b u f i e dc a b l ea n dt h ep a t l li 幽m l a t i o n s 溉d - t i n l e d i s p l a y 1 1 1 i sp 印e r 枷d u c e st i l ed e t a j l e di 廊m l a t i o no f e a c he 非加a lm o d u l eo fm c u 锄df p g aa n dt l l er e l 撕o n s t l i pb e 铆e e ne a c ho m e r 1 1 1 i sp 印e re l a b o r a t e se a c hp r 0 铲锄 m o d u l e sd e s i 盟c o n c e p to fm c ua n df p g a ，a i l d 百v e sn l e 黜s 】p o n d i i l g 如u l a t i o n r e s u l t so fe a c hp r o 伊锄em o d u l e 。 1 ka p p l i c 撕o no f 血em a s t 盱s l a _ v ca r c l l i t e c t u r eo fa v r m c u + f p g a ，s i i n p l i f i e s t l l ed e s i g no ft l l e i i l s 咖e n t s ，i i l l p r 0 v e st h ed a _ t at r a i l s f e rr a ：t e ，r e a l i z e s 也e1 1 i 曲一s p e e d s i 罂谢a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gt 0b u r i e dc a ，b l e ，b ma l s og r e a t l yr e d u c e s 恤h a 羽w a r e c o s t s 吐m 1 ed e s i 皿o fu s i i 培a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cm t e 耐e dc 疵伍t ) i ta l l o 、s u st or e d u c ec o s t s 觚di e a l i z em em a i n 丘l 玎c t i o no ft t l ed e l e c t o ra tt l l es 锄et i i n e k q 啊o r d s ：i n t e l l i g e n tc a b l ep a t hd e t e c t o r a 订之m c uf p g am a s t e r - s l a v e a r c h i t e c t l i 他 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期塑至：厶! 里 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 唑 一肆粤 粗 期 年攀 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能电缆路径检测仪简介 电缆，已经在我们日常生活中扮演了极其重要的角色。作为一种重要的通信 媒介，它已经广泛应用于仪器仪表、电力、通信等重要领域。尤其是地下电缆， 担任着向千家万户输送电力的重任，它一是可以提高用电的可靠性；二是可减少 架空布置给城市上空带来的线路“污染 ，是净化城市的主要措施之一。但是， 随着社会的发展进步，地面空间日益缩小，许多城镇中都开始发展地下设施，例 如地铁、地下管道、地下商场、各种线缆等，但是由于施工改造和城镇的更新规 划，作为市政设施重要组成部分的地下电缆网络也随着变得日趋复杂，并且由于 时间长远以及管理措施不够完善等众多因素，使得地下电缆网络的相关资料残缺 不全，这样给地下管线的管理和维护带来了很大麻烦【5 】。作为交通运输控制电缆， 直接关系到列车能否安全正点运行；作为公用电话和数据业务通道，直接关系人 们社会经济活动：作为照明和家用电器的连接直接影响人们的生活起居。因此， 在地下电缆的管理维护、城市的规划改建和工程施工中都要求简单、快速而精确 地查明地下电缆的位置、深度和准确位置等信息。电缆路径检测仪正是为满足这 样的要求应运而生的。 目前，从市场需求的角度，性能优良的电缆路径检测仪需要较好的满足如下 三点要求： 1 、从性能上要求测量精度越来越高； 2 、对使用者来说要求体积越来越小，实现便携式甚至是手持式； 3 、对生产商来说要求生产成本越低越好。 顺应这样的需求，本课题旨在实现一种性能优于同类产品的智能电缆路径检 测仪，从而更好的满足目前电缆检测的需求。 智能电缆路径检测仪有如下几个特点： l 、有峰值，谷值，特殊值等多种工作模式，分别应用于不同的情况，可以提 高检测仪的环境适用性； 2 、有别于传统路径检测仪的只能通过声音判断路径信息，智能路径检测仪可 以通过视听相结合的方法，通过液晶显示路径信息和扬声器声音，指示操作者电 缆的具体方位：在峰值模式和特殊值模式下可以显示左右方位，在谷值模式下可 以通过罗盘功能显示电缆相对于操作者的8 个方位； 3 、更高的检测精度和检测速度，做到对电缆路径信息的准确显示和实时显示； 基丁f p g a 的智能电缆路径检测仪的研究 4 、在数字电路的设计中采用f p g a ( 现场可编程门阵列) 技术，可方便的实 现对功能的更新和系统的维护。 f p g a 是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它 是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制 电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 内部有丰富的 触发器和i o 引脚，采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平 兼容，采用f p g a 设计a s i c 电路，我们不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 f p g a 除了可以完成众多数字部分的设计，还可以简化硬件电路的结构。由于f p g a 作为核心器件对系统的数字电路部分进行了集成化设计，避免了使用大量分立元 件而带来的复杂设计，节省开发成本，缩短开发周期。 在本设计中，f p g a 在系统构架中作为逻辑控制核心，对大量外围i c 器件进 行逻辑和时序控制，对数字信号进行处理，与单片机之间的通信系统设计等，大 大提高仪器运行速度和计算精度，提高了系统的稳定性和可靠性。f p g a 在本设计 中的使用使我们既可以缩短设计周期，降低开发费用和开发风险，又可以随时通 过程序修改电路设计，方便的实现对仪器的功能更新和系统维护。 1 2 国内外发展现状 电缆路径检测仪器在国外已经有多年发展历史，检测技术也在不断的提高， 很多国家都有非常成熟的检测技术和检测设备。它们采用的检测方法比较繁多， 较常采用的有充电法、探地雷达法、电磁法等。 充电法是将直流电源一端接金属管线，另一段接地，测量金属管线的电场。 可追踪金属管线，确定其分布状况。应用常规电法仪器，探测深度较大，且有一 定的探测精度，但要求管线必须有出露点，地面上有接收条件。 探地雷达法是由发射天线向地下高频脉冲电磁波，接收天线接收从地下目标 反射至地表的电磁波来研究目标体。可探测各种地下电缆及管道。分辨率很高， 但仪器价格过于昂贵。如英国雷迪公司的e a s yl o c a t e 易捷管线探测仪就是基于探 地雷达系统( g p r ) 实现对各种管线的探测。 电磁法是通过电磁感应原理通过地下电缆的电磁信号进行测量来判断电缆的 各种信息。这种方法探测深度较大，且有较高的精度，设计成本相对适中，所以 应用的最为广泛。例如美国3 m 公司生产的2 2 5 0 m ，2 2 7 3 m 系列，它们功耗低， 功能强大，体积小巧，携带方便，抗干扰能力强，非常适合野外作业。 国外仪器虽然在操作模式，探测精度，抗干扰能力上都有着不错的表现，但 是一般价格非常高昂，如果大量进口成本太高，而且旦有损坏，维修也非常麻 烦，对于日常维护就更不方便了。 第一章绪论 我国在电缆检测技术上起步较晚，但认识到市场需求后，目前已经有很多公 司从事电缆路径检测仪器的设计，部分公司也有比较成型的产品。国内的检测方 法一般采用电磁法测量，一般是通过耳机声音的强弱来判别电缆磁场信号的强弱， 进而确定电缆的路径信息，其设计的操作模式比较单一，一般都是通过一两个线 圈进行单独的最大值或者最小值测量，适用环境比较有限，对复杂电缆网络的检 测精度比较低，而且多不具有方向识别功能和人机交互界面，对路径信息的判断 十分不直观。在检测能力上，它们一般只能检测埋设较浅的电缆，对于地埋较深 的电缆反馈到地表的极弱电磁信号没有检测能力。在地埋电缆网络日趋复杂的情 况下，国内的电缆检测技术渐渐不能满足日益复杂的检测要求。 1 3 研究的背景和意义 由于电缆在我们日常生活中的重要地位，电缆的日常维护就变得极为重要。 但是市政的不断更新却使得地埋电缆的信息残缺不全。在这种情况下，电缆路径 检测仪就有很广泛的使用范围。在电力行业可利用检测仪实现对地埋电缆的精准 定位，减少电缆的找寻时间、提高工程开挖效率，降低人力和物力成本；对建筑 行业而言，可以避免施工中对地下管线的破坏，减少不必要的经济损失；对于城 市规划，在实际设计中使用路径检测仪就可以合理的避开老的地下管线，提高设 计的可实施性；尤其在最近几年，全国很多城市都在兴建地铁设施，使用电缆路 径检测仪可以在施工中精确的判断电缆位置，合理的选择开挖点，降低对地下管 线的破坏率，保障居民和企业的正常生活和工作。 总之，智能电缆路径检测仪适用场合广泛，环境适应能力强，可以减少生产 和生活中不必要的损失，带来更大的经济效益。 针对目前电缆路径检测仪的国内外发展现状和实际应用意义，研制高精度， 高速度，低功耗，抗干扰能力强，功能丰富的电缆路径检测仪器已经成为当务之 急。本课题就是在这样的环境下应运而生。智能电缆路径检测仪的研制，将可以 使人们更加快速、实时、方便的检测到地下电缆的位置、深度、电流大小等重要 的信息。可以节约施工的成本，加快施工的进度，保证施工安全、提供给城市规 划部门一个清晰的地下电缆的情形。智能电缆路径检测仪既可以提高电缆的维护 效率，降低工程的人力物力成本，又可以使我们摆脱进口仪器价格高，维护难的 问题，其多检测模式的设计，使得各工程部门能够在复杂电缆网络的环境中，准 确定位电缆位置，对于电缆的便捷维护和工程实施效率的提高都有着非常重大的 意义。 4 基于f p g a 的智能电缆路径检测仪的研究 1 4 本论文的研究成果和内容安排 本论文调查了国内外相关产品的性能和特点，查阅了相关仪器资料，研究了 电缆路径检测仪的工作原理和f p g a 技术在仪器中的应用，分析了系统各个部分的 关键技术，提出了单片机+ f p g a 的总体逻辑及控制构架，实现了以f p g a 和a v r 单 片机为控制核心的总体数字逻辑控制系统，配合外围硬件电路，实现对地下电缆 信号的测量。 一、本论文的研究成果 本论文中对f p g a 的设计使用v e m o g h d l 硬件描述语言，主要完成对外围硬 件电路中大量i c 器件的时序及逻辑控制，对模数转换后的数字信号进行处理及计 算，与单片机之间的通信系统的设计等。f p g a 在本设计中完成大部分数字设计， 大大简化了电路规模，并且使得测量系统更加稳定可靠。本设计中采用的f p g a 是虹j e r a 公司生产的c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 t 1 4 4 c 8 ，其内部资源丰富，电路 修改非常方便，提高了系统的可维护性和升级功能。a m i 认公司的q 1 l a r n l si i 是 一款非常优秀的e d a 软件，为我们进行功能设计提供了巨大的便利。 f p g a 完成检测后，将数据送至a v r 单片机，由单片机进行数据的后期处理， 并将处理结果输出至液晶显示模块。在本设计中，a v r 单片机也是控制系统中的 一个重要部分，它是人机交互的核心，主要完成用户界面设计系统和仪器的外界 控制系统的设计。单片机采用a t m e l 公司生产的a v r 单片机a 1 、m e g a 6 4 ，程序 语言采用c 语言。 二、本论文内容安排 第一章是绪论，主要是对智能电缆路径检测仪的简介和国内外发展现状的介 绍，以及对本研究的背景和意义的说明。 第二章是根据电缆路径检测仪的工作原理一电磁场理论，提出相应的整体系 统构架，并根据构架说明检测仪主要功能的实现原理。 第三章是根据系统的设计要求，提出f p g a + 单片机的主从逻辑控制架构，并 简要介绍其外围电路情况。 第四章是介绍本设计的软件部分。首先详细阐述在f p g a 内部各个功能模块 的设计，以及各个功能模块之间的联系，并说明各程序模块的仿真结果。其次详 细说明a v r 单片机对周边模块控制程序的设计。 第五章是对f p g a 系统仿真结果的分析和思考。并针对存在的问题进行分析 并提出解决方法。 最后是对论文工作进行总结，简述已经完成的工作，指出论文工作中还存在 的一些不足，并对后续工作和路径检测仪的发展方向进行展望。 第一章绪论 本章作为全文的绪论，从电缆路径检测技术的实际需求入手，简要介绍了智 能电缆路径检测仪的一些概况、国内外发展现状、实际应用意义等，由此引出了 本论文的工作重点，设计目标，并简要描述了仪器的研究成果，最后介绍了本论 文的内容安排。 第二章智能电缆路径检测仪的基本原理与总体构架 7 第二章智能电缆路径检测仪的基本原理与总体构架 高精度检测仪器已经日益成为人们认识世界和改造世界的得力工具。一个成 熟的总体构架将对智能电缆路径检测仪的设计起到至关重要的作用，并对后续的 软件设计产生深远的影响。本章将着重从原理上阐述并论证本设计的总体构架和 方案的可行性。 2 1 1 毕奥一萨伐尔定律 2 1 基本原理 在载流导线上取电流元历，空间任一点p ，该点的磁感应强度为面，历与 矢径芦的夹角为秒，在真空中 招= 七竽 在s i 制中，扫| i 。4 ，其中l l 。= 4 靠1 0 。7 n a - 2 为真空磁导率。故 妇：錾掣 式( 2 2 ) 4 万， 撕的方向：即历尹的方向( 右手螺旋法则确定) 写成矢量形式为 或 面= 鲁学4 霄r 2 其中无= 尹，为矢径尹方向上的单位矢量。 这就是毕奥萨伐尔定律，也称为b i o t s a v a n l 印l a c e 定律。 由上可得，任意载流导线在p 点的磁感应强度雪为 豆= 归= 璧竽 式( 2 4 ) 其中，电流元历的方向即为电流的方向；面的方向由历尹确定，即用右 手螺旋法则确定。 毕奥一萨伐尔定律是求解电流磁场的基本公式，利用该定律，原则上可以求 堕，丝锄 | i 一招 8 基于f p g a 的智能电缆路径检测仪的研究 解任何稳恒载流导线的磁感应强度【7 1 。 2 1 2 载流长直导线的磁场 图2 1 载流直导线坐标图 建立如图2 1 所示的坐标系，在载流直导线上，任取一电流元勉，由毕一萨 定律得元电流在p 点产生的磁感应强度大小为： 如：盟掣 4 万， 方向为o 。所有电流元在p 点产生的磁场方向相同， 标量积分，即： b = 陋喙半 由图2 1 得： 因此： 此外， z = 口c 留( 万一d = 一口c 留9 d z ：a c 8 d 9 所以求总磁感强度的积分为 s i n ( 万一口) s i n 伊 代入式( 2 8 ) 中可得： 召= 璧芋掣= 是r s i n 钰秒= 篾( c o s q s 岛) o4 万 ，口、2 4 刀口电4 万o 。“ 式( 2 7 ) 式( 2 9 ) 式( 2 1 0 ) 第二章智能电缆路径检测仪的基本原理与总体构架 9 若载流直导线可视为无限长，则式( 2 一1 1 ) 中的积分限为q o ，岛万，则 这时可以得到： ( 1 ) 无限长直通电导线的磁场：b ：正 2 万 ( 2 ) 半无限长直通电导线的磁场：b ：正 4 万 由此可以看出，无限长载流导线周围单个点磁感应强度的大小与单个点到载 流直导线垂直距离口的一次方成反比。若以无限长载流直导线上的点为圆心，作垂 直于无限长载流直导线的同心圆系，则无限长载流直导线在各点产生磁感应强度b 的方向将沿通过该点圆的切线方向，其指向与电流方向满足右手螺旋法则州。 2 1 3 电磁感应定律 导体回路中产生的感应电动势当的大小与穿过回路的磁通量变化彩西成正 比，这就是著名的法拉利电磁感应定律，也称为电磁感应定律，在国际单位中， 其数学表达式为 毒= 一警 式中“一”确定了感应电动势毒的方向。 2 1 4 感生电动势和动生电动势 按照磁通量发生变化的不同原因，感应电动势可分为两类： ( 1 ) 动生电动势由于导体或导体回路在恒定磁场中的运动， 路内产生的感应电动势。 运动导体棒内与洛伦磁力相对应的非静电性场强毛为 ， 乓= 一垃= ( v 口) p 由电动势的定义，导体棒上产生的电动势为 参= r 色讲= r ( v b ) 讲 式( 2 1 2 ) 导体或导体回 式( 2 1 4 ) 对于任意形状的一段导线a b ，在恒定的非匀强磁场中运动时，如图2 2 所示。 l o 基rf p g a 的智能电缆路径检测仪的研究 图2 2 任意导线在磁场中的运动 导线a b 上的动生电动势可由各线元的动生电动势之和求得。设导线a b 中一段 导线元讲在磁场中以速度v 运动，则导线元两端的动生电动势始应为 d 专= 巨讲= ( 1 ，召) 讲 式( 2 一1 5 ) 导线a b 上的总电动势为 当= r 鹕= r 最讲= r ( 1 ，b ) 刃 式( 2 - 1 6 ) 若闭合导体回路l 在恒定磁场中运动，则闭合回路内的动生电动势为 岳2 嘎d 点2 屯( v b ) 捌 式( 2 - 1 7 ) ( 2 ) 感生电动势导体或导体回路不动，由于磁场随时间变化，导体或导体 回路内产生的感应电动势。 不论有无导体或导体回路，变化的磁场都将在其周围产生具有闭合电场线的 电场或有旋电场。有旋电场和静电场有一些共同的性质，如都对电场中的电荷有 力的作用，都具有能量等，但是它们也有重要的区别，静电场是由电荷激发的， 其电场线由正电荷出发，终止于负电荷，其电场强度e 的环流为零，因而静电场 是保守场，可以定义电势，而有旋电场是由变化的磁场激发的，其电场线是无头 无尾的闭合曲线。如果邑表示有旋电场的电场强度，其环流不为零，即 d 易讲o 式( 2 1 8 ) 而有旋电场是非保守场，也不能定义电势。通常把由变化磁场产生的感应电 动势称为感生电动势。 根据电动势的定义和法拉第电磁感应定律，感生电动势应为 q = 叮b 埘= 一警= 一丢b 嬲 式( 2 1 9 ) 。 n l口l 。o 当回路固定不动，磁通量的变化仅来自磁场的变化时，上式可改写为 = 嘎b 讲= 一f c 等搬 式( 2 2 0 ) 上述公式表明：在变化的磁场中，有旋电场强度对任意闭合路径l 的线积分 第二章智能电缆路径检测仪的基本原理与总体构架 1 1 法则，则b 的方向与船a 的方向之间满足左手螺旋法则，由图2 3 可以说明关系。 曰f 警 图2 3电场与磁场的关系 假设图2 3 中b 在增大，于是秘盘的方向与b 相同。若取逆时针方向为闭合 路径l 的积分绕行正方向，则凹砑的方向与闭合路径包围的面积的法线正方向 一致。由式( 2 1 8 ) 可得到 db 刃 乩 左 玑；而穿过4 号的磁力线多于穿过5 号的，因此 玑 乩；由此判定电缆位于操作者的左前方。操作者原地旋转一周，可得电缆相 对于操作者的8 个方位。表2 2 说明了各线圈电动势与电缆方位的关系。 表2 2 各线圈电动势与电缆方位的关系 各线圈电动势关系电缆相对与操作者的方位 u 3 ，乩= 以 正左方 u 2 u 3 ，u 虬 左前方