（高电压与绝缘技术专业论文）局部放电在线监测无线传输系统的研究.pdf

中文摘要 电力设备长期受温度、雷击及内部过电压的作用，绝缘会逐步老化，导致 内部产生微弱放电( 称局部放电) ，如果不采取措施，它会逐步扩大而导致设备 绝缘击穿。近年来，在线监测技术的发展使得及时发现这些缺陷成为可能，它能 对被监测设备的绝缘参数随时进行测量。为电力系统的安全运行提供可靠的保 证。 基于无线传输的特殊优点，本文提出在线监测系统采用无线传输的方式， 为防止局部放电的无线干扰信号，选择通信频率为4 3 3 m h z 的短距离通信芯片 n r f 9 e 5 。在此基础上，本文开发了通信芯片与p c 机之间的通信以及通信芯片间 的点对点通信系统。 本文构建了四种典型的局部放电模型来模拟电力设备内部的放电，并利用 罗可夫斯基线圈、已有的采集系统和开发的点对点通信系统对其进行了传输试 验，对接收到的数据进行了复原，使得其能较真实地反映放电模型的局部放电特 征。为验证通信系统的可靠性，将利用传输系统得到的数据放电波形图和示波器 采集到的波形图进行了比较，得到了很好的结果。 在对四种局部放电模型传输试验的基础上，对接收到的数据进行了处理， 根据工频电压信号数据得到了局部放电信号的相位特征，根据局部放电电压信号 数据得到了其放电量。据此选取一个工频周期对其相位9 、放电量q 和放电重复 率n 进行了统计，绘制了四种局部放电模型的q q n 三维谱图，并对其进行了分 析和比较。 关键词：在线监测无线通信局部放电平q n 谱图 a b s t r a c t u n d e r t e m p e r a t u r e l i g h t n i n gs t r i k ea n di n t e r n a lv o l t a g ef o rl o n gt i m e ，i n s u l a t i o n o fp o w e re q u i p m e n tb e c o m e sa g e d ，w h i c hl e a d st op a r t i a ld i s c h a r g e i ft h em e s s u r e s c a n n o tb ea d o p t e d ，i n s u l a t i o nb r e a k d o w nm a yc o m ea l o n g t h ed e v e l o p m e n to f o n - l i n em o n i t o r i n gm a k e si tp o s s i b l et of i n dt h e s ef a u l t s i tc a nm a k es u r et h es a f eo f p o w e rs y s t e mb ym e s s u r i n gt h es t a t eo f p o w e re q u i p m e n tm o n i t o r e d b a s e do nt h es p e c i a lm e r i t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni s p o i n t e do u tf o rm o n i t o r i n gs y s t e m w ec h o o s en r f 9 e 5t oa v o i dw i r e l e s si n t e r f e r e n c e b ys t u d y i n gt h ei n n e rs t r u c t u r eo fn r f 9 e 5 ，t h es o f t w a r es u p p o r ti sp r o g r a m m e df o r p o i n t t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rc r e a t e sf o u rr e l e v a n tp dm o d e l su p o nt h ep e c u l i a rp dp a t t e r n so f p o w e re q u i p m e n t p de x p e r i m e n ti sd o n ea n dt h ed a t ai st r a n s m i t t e db ys y s t e mo f d a t aa c q u i s i t i o na n dp o i n t - t o p o i n tc o m m u n i c a t i o n t h ei n f o r m a t i o nr e c e i v e db y c o n t r o l l e rc e n t e ri st r e a t e da n dm a d ea c o m p a r i s o nw i t h t h ep r i m a r ys i g n a lo f p da n d w eg e tag o o dr e s u l t o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n to nf o u rr e l e v a n tp dm i d e l s ，t h er e c e i v e dd a t ai s t r e a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fp h a s e ( 甲) i sg o tb yt h es i g n a lo fp o w e rf r e q u e n c yv o l t a g e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp dm a g n i t u d e ( q ) i sg o tb yt h es i g n a lo fp d 审- q no fp di s n u m b e r e di n2 0m i l l i s e c o n d ja n d 中一q n3 一dp l o t sa r em a d ef o rf o u rp dm o d e l sb y d a t at r e a t e d t h er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db a s e do nt h ep l o t s k e yw o r d s ：o n - l i n em o n i t o r i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p a r t i a ld i s c h a r g e ， 中一q n3 - dp l o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：删鸟 签字日期： 卯7 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：屎彩0 易 导师签名： 签字日期：t 叼年6 月f7 日签享日期：椰1 年 疹孓 6 月i 乙日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章叙述了电力设备在线监测技术及故障诊断的发展历程、基本概念以及目 前存在的一些问题，最后介绍了本文的主要研究工作。 1 1 引言 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，对电力的需求与日俱增，为了 满足这种需求，电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，同时对供电的可靠性 提出了越来越高的要求，各种电力设备的安全运行已成为影响电力系统安全、稳 定、经济运行的重要因素。电力设备主要由金属材料和绝缘材料组成，其绝缘系 统对电力设备的运行起着重要的保护作用，然而绝缘系统在运行过程中长期处于 电、机械、化学等应力作用下，不可避免地逐渐劣化，在系统的薄弱环节会导致 绝缘缺陷的出现，如果不能及时发现并采取适当的修复措施，缺陷将不断发展， 有可能引发设备绝缘击穿事故，不仅给用电单位带来重大的经济损失，而且有可 能破坏整个电力系统。自六十年代以来，国内的某些大型电力网络出现了一些大 的停电事故，给国民经济造成了巨大的损失【1 1 。“八五”期间，我国主要电网中 由于设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的2 6 3 1 2 1 ，可见提高设备的 运行可靠性对电力系统的稳定运行具有很大的作用。对电力设备的实时监测，掌 握其运行状况，且尽可能对电力系统的故障做出预先判断无疑是十分重要的。电 力电子技术的发展使得当前的在线监测成为研究和应用的热点，而这给电力系统 的稳定运行添加了更多的筹码。 1 2 电力设备监测技术的发展状况 对电力设备的运行，国际上在早期采用的都是事后维修，之后发展为定期维 修，但仍然无法防止各类事故的发生【3 】，因此目前大力开展在线监测技术的研究。 我国在这方面研究开发应用已有十几年了，对提高电力设备的运行维护水平、及 时发现事故隐患、减少事故的发生产生了重要影响【4 】。 我国目前大多是定期维修制，一般都要求“到期必修 ，这样定期的检修及 相关的试验，对发现设备缺陷、减少事故的发生发挥了很重要的作用。但没有充 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 分考虑设备实际状态如何，以致超量维修，造成了人力及物力的大量浪判5 1 。而 且随着电压等级的提高、设备容量的增大也暴露出一些问题： 1 ) 预防性试验周期规定过死，有时不能及时发现设备绝缘的劣化。 2 ) 高压电力设备的试验电压低，难以真实反映运行电压下的设备绝缘状况。 3 ) 难以适应无人值班变电站自动化的要求。 随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术 等的发展以及其向各领域的渗透，使电力设备的在线监测成为了可能。电力设备 在线监测系统是指在设备使用期内连续不断检查和判断设备状态，预测设备状态 发展趋势的系统。在线监测技术研究大致包括以下内容【6 】：l 、在线监测手段；2 、 监测信息的传递、处理和存储：3 、故障特征量的提取；4 、故障机理分析。 近年来，国内外对电力设备绝缘状况的在线监测进行了大量的研究，取得了 很大进展，也有不少形成了产品和系统。其发展大体经历了三个阶段【4 】： 1 ) 带电测试阶段。主要对电力设备的某些绝缘参数进行直接测量( 如泄漏电 流等) ； 2 ) 从8 0 年代以来，采用各种专用带电测量仪器，使在线监测从传统的模拟 测量转变到数字测量。 3 1 从9 0 年代开始，出现以数字信号采集和微处理技术为核心的微机多功能 绝缘在线监测系统【7 1 。 电力设备在线监测系统通常通过采集运行状态量来反映运行情况，首先需要 获取诊断对象的状态信息，采集电力设备的电压、电流、频率、以及其他非电量 信号，根据表征设备状态量的各种信号的不同特性而采用不同的信号采集方法， 常用的采样方法有：1 、数据采样：采集一个足够数据处理所需长度的信号样本。 2 、定时采样，按事前整定的周期进行采样。3 、自动采样：利用发生随机故障时 的信号突变自动采样。4 、特殊采样：根据故障诊断的特殊要求采取转速跟踪采 样、峰值采样等特殊采样方式1 8 】。 信号处理系统通常距离监测设备较远，因而传输过程中难免受到干扰，甚至 信息的损失，所以需要先作模数转换、预处理和压缩打包，再经通信路径传输到 处理控制中心。通信设备现已广泛应用于电力领域，光线传输数字信号可较好地 抑制干扰，保证信号质量。控制中心收到通信线路传输过来的状态量数据包后， 利用各种不同数据处理方法对数据包进行处理。 在绝缘在线监测技术的基础上，开展设备绝缘的状态维修，也是当前电力技 术研究的重要课题【9 1 。而开展状态维修的前提是对所监测的电力设备进行诊断。 早期的诊断方法主要根据最大放电量来判断电力设备的绝缘状况，称为阐值诊 断，该判断准则较简单，适用范围有限，文献【l o 】根据实验提出，由放电信号脉 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 冲幅度的概率分布估计绝缘的劣化程度无法得出适用的一般规则。随着计算机技 术及各种数学方法的出现，出现了许多新的特征提取与模式识别方法。在特征提 取方面的方法可以分为两类：一类采用放电脉冲的统计分析，另一类采用放电脉 冲的波形分析。放电脉冲的统计分析采用各种各样的叭q 、n 关系谱图i l l 】。在二 维谱图中有采用二维叩n 、q - n 、9 q 谱图的，也有许多采用三维谱图的。还有基 于谱图采用概率分布来提取特征参数的参数提取方法【i2 1 。而放电脉冲的波形分析 主要有频谱分析、滤波等方法。 1 3 有线传输和无线传输监测系统 一个完整的在线监测系统应包括以下四个部分i ”】： 1 ) 传感器：它用于把物理量转换为电信号，传感器的选择取决于监控方法 和设备故障机理的有关知识。通常选用的传感器应适合在线测量。灵敏度，经济 性和非侵入性是对传感器的主要要求。 2 ) 数据获取：数据获取单元用于对来自传感器的信号进行放大和预处理， 例如：实现数模转换和传感器误差修正。这里，需要应用数据通信技术和微处理 器技术。 3 ) 故障检测：故障检测的主要目的是弄清机器内是否有潜在故障出现，以 便给出报警信号并作进一步的分析。当前有两种不同的故障检测方法：模型参考 方法和特征提取。模型参考方法通过测量结果和模型( 可以是数学仿真模型或是 基于人工智能的模型) 预测值的比较来检测故障。而特征提取绝大多数采用频域 和时域信号处理技术来获取能代表正常和故障参数的特征量。 4 ) 故障诊断：对检测到的异常信号需要进一步处理以给出明确的维护指示。 过去故障诊断通常由专家或离线分析来完成，目前倾向于由计算机在线自动实 施。提供给用户的诊断结果应包括故障名称、故障位置、设备状态、维护建议等 等。 其中数据获取是极为重要的一个步骤，只有取得可靠的数据，后面的分析才 有意义。数据获取主要包括数据采集系统和信号传送系统，数据采集系统的功能 是采集来自传感器的各种电信号，并将其送往数据处理和诊断系统对监测到的数 据进行分析、处理。信号传送系统的功能是将采集到的数据信息传送到“监控系 统”，以便控制终端获得有效信息。信号传输从连接方式上来分，主要有有线和 无线两类。 ， 1 ) 有线传输( 1 4 l ：有线传输是通信设备必须物理地连接起来的通信方式。目 前用于工业控制的有线传输方式主要有：r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 和现场总线技术等方式。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 只代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问， 就必须自己编写通信应用程序，但这种程序多数都不能符合i s o i o s i 的规范，只 能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在r s 2 3 2 或 r s 4 8 5 设备联成的设备网中，如果设备数量超过2 台，就必须使用r s 4 8 5 做通信 介质。r s 4 8 5 网的设备间要想互通信息只有通过主设备中转才能实现，这个主设 备通常是p c ，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从( s l a v e ) 设备。 而现场总线技术是以i s o i o s i 模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解 决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自动成网，无主从设备 之分或允许多主存在。在同一个层次仁不同厂家的产品可以互换，设备之间具有 互操作性。 2 ) 无线传输【1 5 j ：短距离的无线传输主要有红外和蓝牙技术；远距离的无线 传输有g p r s 、c d m a 、c d p d 等。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) - - 通用无 线分组业务，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域 的无线l p 连接。c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) - - 码分多址，它是在数字 技术上的分支一扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。c d p d fc e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) - - - 蜂窝数字分组数据网络，是一种新型的无线广域 网系统，与现在市面上所见的无线局域网不同的是，该通信网络工作在8 0 0 兆赫 频段之间，该频段具有一定的穿透和绕射能力，干扰较少。短距离无线通信以其 特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装施工简单 灵活等特点得到广泛的应用。 与有线传输相比，无线传输有以下优点l l 6 j ： 1 ) 有线通信的开通必须架设电缆，或挖掘电缆沟或架设架空明线；而架设 无线链路则无需架线挖沟，线路开通速度快。将所有成本和工程周期统筹考虑， 无线的投资是相当节省的。 2 ) 有线通信受地势影响，不能任意铺设；而无线通信覆盖范围大，几乎不 受地理环境限制。 3 ) 有线通信铺设时需挖沟架线，成本投入较大，且电缆数量固定，通信容 量有限；而无线则可以随时架设，随时增加链路，安装、扩容方便。 4 ) 有线通信除电信部门外，其它单位的通信系统没有在城区挖沟铺设电缆 的权力：而无线通信方式则可根据客户需求灵活定制专网。 5 ) 有线链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点； 而无线通信只需维护电台，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 6 ) 建设通信线路时一般需要备份，如果主备通道皆为有线线路，往往会存 在相关故障点。若一条有线中断，另外一条很可能由于整个电缆被挖断或被破坏、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 配线架损坏、转接局断电等原因，同时中断。如果有线通信线路利用无线进行备 份，当有线线路中断时，则可将通信链路切换到无线链路上，仍可保证通信线路 的畅通。 7 ) 无线通信可以迅速( 数十分钟内) 组建起通信链路，实现临时、应急、抗 灾通信的目的，而有线通信则需要较长的时间。 一 但无线通信也有其不足之处，比如抗干扰性能较差，信息可能发生错误，也 可能丢失，这都需要开发人员进行综合考虑。 1 4 本文的工作内容 随着科学技术的发展，无线通信技术已开始应用于电力系统各类数据的采 集，如目前使用的无线抄表技术等。本文在分析了当前监测系统的基础上，提出 了通过无线通信获取数据的新型监测系统，并对其进行了相关的研究。本文内容 主要包括以下几个方面： 1 ) 在比较多款无线通信芯片的基础上，根据局部放电信号传输的要求确定 采用n o r d i c 公司的无线通信芯片n r f 9 e 5 来完成监测系统中数据信号的传输。在 此基础上，设计了由罗可夫斯基线圈、采集系统、p c 机和n r f 9 e 5 组成的数据 采集终端。 2 ) 根据通信芯片数据输入的要求，利用终端p c 机对采集系统采集到的数据 进行了相关处理，并编写了p c 机与通信芯片间的通信程序。通过研究通信芯片 n r f 9 e 5 及其软件开发环境，编写程序实现点对点的数据传输。 3 ) 根据电力设备内部常见的放电类型设计了四种局部放电模型，对其进行 了局部放电试验。利用点对点无线通信系统对四种局部放电信号进行了传输，并 对传输结果进行了复原，与原始信号进行了比较。 4 ) 对通信系统接收到的四种放电模型数据进行了处理，绘制了9 q n 三维谱 图，并对其进行了分析和比较。 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 第二章数据采集终端硬件系统 数据采集终端的功能是采集反映电力设备局部放电的各种信号，将其送往数 据处理和诊断系统对监测到的数据进行分析、处理。本章主要讨论本文中所用传 感器的性质，并对其设计进行了详细的说明。在传感器采集到信号的基础上，对 数据采集终端的结构及通信系统进行了详细的介绍。 2 1 传感器 传感器是一种测量装置，能完成采集任务，它的输出量是与某一被测量有对 应关系的量，且具有一定的精度。传感器按用途可分为位移、压力、温度、振动、 电流、电压、气体等。表征传感器输出与输入之间关系的特性，称之为传感器的 一般特性。当输入量为常量或变化缓慢的信号时称为静特性；当输入量随时间变 化较快时，称为动态特性( 频率响应特性) 。本文所设计的传感器是罗可夫斯基 线圈，其实质上是一种电流传感器。 2 1 1 罗可夫斯基线圈 r o g o w s k i 线圈早在1 8 8 7 年美国科学家就曾利用，1 9 1 2 年俄国科学家罗可夫 斯基( r o g o w s k i ) 进行了大量的试验和研究，从理论、实践的角度证明和总结了这 种线圈的测量方法。线圈一般做成圆形或矩形，均匀地绕制等面积闭合螺旋线， 绕行方向一致，内部可以是空心的或加入骨架。当穿过线圈内部的导体有电流通 过时，根据电磁感应的原理，线圈两端的引出线之间就会产生电动势，而这个电 动势的大小是和穿过线圈导体电流成比例的f l 刀。从原理上来看，r o g o w s k i 线圈 实质是原边为单匝线圈、副边为多匝线圈的电流互感器。 r o g o w s k i 线圈的基本结构如图2 - 1 所示，线圈有两种设计方式：一种为自积 分式，一种为外积分式。外积分式的线圈必须经过一个r c 积分回路，由于受到 积分器频率性能的影响，其可以测量的频率也受到限制；自积分式的线圈则直接 采用纯阻式积分电路，频率响应很高。因此这里主要介绍自积分式的工作原理。 在实际应用中，为了防止电磁干扰，r o g o w s k i 线圈必须装在屏蔽盒内，此时 线圈应视为一长度为2 n r ( r 为屏蔽盒的平均半径) 的传输线。与其等值的分布 参数电路如图2 - 2 所示，其中、r 、c 分别为单位长度的电感、电阻和对地电 天津大学硕士学位论文第二章数据采集终端硬件系统 图2 1r o g o w s k i 线圈基本结构 容。在线圈骨架截面积及线匝密度均为常数且在结构上对称并与被测电流的位置 也对称的情况下，线圈各处的分布电容、电感均相等。因此，一旦有被测电流i ( t ) 产生，线圈上便产生感应电势，并在各点产生相应的感应电流f ( f ) = i ( x ，t ) a x 1 引。 此时的u ，= 0 ，对地电容c 对雄) 不起作用。 f o ( t ，r ) 缸 xax x0 缸 。图2 ：2 线圈分布参数电路图 由电路图及电磁感应原理可知，其单元感应电势为： 印) = 确洫= 一警等 与之相应的单元电压为： 一u o ( 州，缸= 警等 公式( 2 1 ) 公式( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 由分布参数电路可建立如下回路方程： 一u o ( x , t ) 缸：z 缸堕笔拿竺+ 页缸一i o ( x , t ) 缸 公式( 2 3 ) d f 经拉氏变换可求出其解为： 弛= f p 面1 - 半咖= 抄镑考咖 公北钔 式中，n 为匝数，矽为磁通，三= 三2 厅为线圈总电感。 2 1 2 传感器设计 本文中要传输的原始信号为电力设备局部放电信号，频带较窄，接近脉冲信 号，需要传感器有较快的响应速度，并且所设计的传感器需要有良好的频率响应 特性：应远大于某一低频值，这样既不会被低频信号所干扰，又能响应较高的频 率范围。为了达到这些要求，这里主要考虑线圈匝数、工作频率及线圈屏蔽等方 面的选择或设计。 1 ) 线圈绕线及匝数的选择：线圈匝数n 不仅需要考虑自积分条件和线圈输出 信号的强弱，还要注意其对线圈传输时间的影响。线圈传输时间t 为感应电流信 号在线圈中传输所需的时间，其计算表达式为i i 9 】： 丁：( p 2 + ，2 ) ( s ) 公式( 2 5 ) 式中p 为线圈绕线的匝间距，l 为线圈骨架矩形截面的周长。可见传输时f i t 与线 圈匝数n 成正比【2 0 1 。 2 ) 工作频率：考虑杂散电阻电容的影响，r o g o w s k i 线圈的等效电路下所示： + 图2 3 考虑杂散电阻、杂散电容罗可夫斯基线圈的等效电路 图中c o 为考虑了线圈匝向电容和线圈对地电容的杂散电容，对于该图，有： 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 卜鲁啾+ 哮郴 、i c = l r + i c e 【i c o c od ( 矿i r r ) 公式( 2 6 ) 上式中为被测电流，、。、厶分别为线圈电流、流经电容c o 的电流和流经 负载电阻r 的电流。对上面的方程组进行拉普拉斯变换可得线圈的传输函数如 下所示： 一器2 石莓m 丽s 甭 板( 2 _ 7 ) 则线圈的工作频率范围- - - 7 近似为： 五= 紫 厶= 芴1 面 公式( 2 8 ) 由该式可知，杂散电容c n 主要影响的是线圈的高频性能，所以应当采取适当增 大绕线匝间距和线圈与屏蔽壳间距等方式减小c 0 ，而提高低频性能的主要方法 就是减小负载电阻r 和增大线圈电感l 。 3 ) 线圈屏蔽：为防止杂散电磁场的干扰，罗可夫斯基线圈需加一屏蔽壳体， 并在屏蔽盒内侧留一2 m m 宽的缝，以使被测电流的主磁场能够进入线圈1 2 ，这 样做可以增加磁阻，使得屏蔽壳不形成回路，即可避免被测电流的磁场集中在屏 蔽壳体而不进入线圈中。屏蔽壳体材料通常使用铁材，并在外层镀膜，这样可以 有效屏蔽电场，还可以屏蔽低频磁场。但若壳体材料采用铜或铝材，由于其磁导 率不高而不必在线圈横截面开缝隙。 。 综合以上各方面的要求，本文中设计的罗可夫斯基线圈采用镍锌铁氧体作为 线圈骨架，骨架的形状为圆形，截面形状为矩形，外径1 0 e r a ，内径为8 c m 。缠 绕漆包线直径为0 5 r a m ，匝数为4 0 匝，均匀绕在骨架上，为防止绕线位置移动 导致线圈布局不均，绕线采用导线胶固定。 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 2 2 数据采集终端 2 2 1 终端结构 该数据采集终端主要由数据采集系统、终端p c 机和无线通信系统构成，其 结构如图2 - 4 所示： 图2 - 4 数据采集终端结构 其中，输入端由所监测设备提供所要处理的信号，采集系统将其采集到的数 据输入到终端p c 机中。p c 机的主要作用是对采集系统采集到的数据进行处理， 并将数据写入通信系统芯片，本文中由于采用已有的采集系统，而未设计硬件采 集电路，实际上利用p c 机的软件处理来模拟由换大器、a d 转换器组成的硬件 采集系统。通信系统主要将p c 机处理后的数据发送到“控制中心”的上位p c 机，本文中所用的通信系统是由n r f 9 e 5 最小系统构成的。 2 2 。2 无线收发芯片的选择 随着计算机通信技术及硬件的发展，无线数据传输已广泛应用于无线抄表、 工业数据采集、无线遥控系统等各个领域。为了适应不同场合的需求，开发商开 发出了多种不同类型的无线收发芯片，因此，在开发系统之前选择合适的芯片是 必需的。正确的选择适合于所开发系统的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短 开发周期，降低成本。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素1 2 2 j ： 1 ) 尽量选用国内较为流行和成熟的芯片，有利于以后的生产和维护。 2 ) 关键部分选用抗干扰性较好的芯片。 3 ) 在满足系统性能的情况下，尽可能降低系统的价格。 4 ) 尽量选用低功耗、高发射功率、高接收灵敏度、高集成度的芯片。 当前，应用比较广泛的射频短距离数据通信芯片主要有n r f 4 0 1 、n r f 2 4 0 1 、 n r f 2 4 e i 、n r f 9 0 5 、n r f 9 e 5 和c c l 0 0 0 ，下面就以上几种无线收发芯片作一个 对比描述： n r f 4 0 l 是n o r d i c 公司研制的单片射频无线收发芯片，工作在4 3 3 m h zi s m 频 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 段。它采用f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，并采用p l l 频率合成技术，频率 稳定性好，发射功率最大可达+ 1 0 d b m ，接收灵敏度最大为1 0 5 d b m ，数据传输 速率可达2 0 k b p s ，工作电压在+ 3 + 5 v 之间【2 3 1 。 n r f 2 4 0 1 是n o r d i c 公司研制的单片射频无线收发芯片，工作在2 4 2 5 g h z i s m 频段。它采用g f s k 调制解调技术，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶 体振荡器和调制器等功能模块，输出频率和通信频道可通过程序进行设置。最大 发射功率是o d b m ，最高灵敏度为1 0 4 d b m ，收发速率最高可达1 m b p s 。n r f 2 4 e i 是在n r f 2 4 0 1 的基础上在芯片内部嵌入高性能的8 0 51 单片机、9 输入l0 位a d c 升级而成的，其无线收发部分与n r f 2 4 0 1 的原理、性能一样f 2 引。 n r f 9 0 5 是n o r d i c 公司研制的单片多段射频无线收发芯片，工作在 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h zi s m 频段，它采用优化的g f s k 调制解调技术，抗干扰能力强， 采用d d s + p l l 频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达1 0 4 d b m ，发射功率可 以调整，最大发射功率是+ 1 0 d b m ，可在1 5 5 6 k h z 的有效带宽下传输最高1 0 0 k b p s 的数据。n r f 9 e 5 是在n r f 9 0 5 的基础上在芯片内部嵌入高性能的8 0 5 1 单片机， 其无线收发部分与n r f 9 0 5 的原理、性能一样【2 5 。 c c l 0 0 0 是c h i p c o n 公司推出的单片可编程射频收发芯片，工作在 3 0 0 1 0 0 0 m h zi s m 频段。c c l 0 0 0 集成了射频发射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解调、可编程控制等多种功能。c c l 0 0 0 采用锁相环技术，发射频率是通过 内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为3 0 0 1 0 0 0 m h z ，适合应用跳频协 议，一般可配出1 0 或2 0 个频点。该芯片灵敏度为1 0 9 d b m ，并可自动校准，可 编程输出功率为一2 0 d b m - 一- 1 0 d b m ，通信速率可达7 8 6 k b p s i z 6 。 以上四款无线收发芯片的性能对比如表2 1 所示： 芯片n r f 4 0 l1 1 l 让2 4 e l n l 讧9 e 5c c l 0 0 0 频段4 3 3 m h z 2 4 2 5 g h z4 3 3 8 6 8 9l5 m h z 3 0 0 1 0 0 0 m h z 最大发射功率+ 1 0 d b m0 d b m + l o d b m+ 1 0 d b m 最高灵敏度一1 0 5 d b m1 0 4 d b m 1 0 4 d b m 1 0 9 d b m 最高通信速率 2 0 k b p s l m b p s1 0 0 k b p s 7 6 8 k b p s 调制方式f s kg f s k g f s kf s k 工作电压2 5 5 2 5 v1 9 3 6 v 2 7 3 3 v2 7 3 6 v 接收电流l l m a1 8 m a1 4 5 m a 8 8 m a 发送电流8 m a9 m a1 2 5 m a l l m a 天津大学硕士学位论文第二章数据采集终端硬件系统 比较以上4 款芯片，n r f 2 4 e i 和n r f 9 e 5 都是系统级芯片，内部都集成了8 0 5 1 单片机和a d 转换器，开发简单，实用性较强。基于通信速率、抗干扰性能和 性价比的原因，本课题选择n r f 9 e 5 作为数据传输芯片。 2 2 3n r f 9 e 5 芯片构成 n r f 9 e 5 是是真正的系统级芯片。其结构框图如图2 5 所示： 图2 - 5n r f 9 e 5 芯片内部结构框图 内置n r f 9 0 5 收发器与n r f 9 0 5 芯片的收发器一样，可以工作于s h o c k b u r s t ( 自 动处理前缀、地址和c r c ) 方式。内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为 系统提供1 9 - 3 6 v 的工作电压，q f n 5 x 5 m m 封装，载波检测。n r f 9 e 5 符合美 国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准。n r f 9 0 5 功耗低，工作可靠，适 用于无线数据传输系统的设计1 27 1 。 由于n r f 9 e 5 功耗低，工作可靠，又没有复杂的通信协议，完全对用户透明， 天津大学硕士学位论文第二章数据采集终端硬件系统 同种产品之间可以自由通讯，内置的c r c 纠错硬件电路和协议免去了软件开发 人员的软件纠错编程和微控制器的纠错运算，降低了无线应用的开发难度。其主 要功能硬件有： 1 ) 微控制器1 2 8 】 n r f 9 e 5 的片内微控制器与标准8 0 51 兼容，指令时序与标准8 0 51 稍有区别。 典型的区别是：n r f 9 e 5 的片内微控制器的指令周期为4 到2 0 个时钟周期，8 0 5 l 为1 2 到4 8 个时钟周期。中断控制器支持5 个扩展中断源：a d c 中断、s p i 中断、 r a d i o i 中断、r a d l 0 2 中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3 个与8 0 5 2 相同的定时器。1 个和8 0 5 i 相同的串行通讯端口u a r t ，可以用定时器1 和定 时器2 作为异步通信的波特率产生器。此外，c p u 还扩展了2 个数据指针，以 方便于从片外r a m 读取数据。 微处理器中有2 5 6 b 的数据r a m 和51 2 b 的r o m 。上电复位或软件复位后， 处理器自动执行r o m 引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从 外部e e p r o m 加载到1 个4 k b 的r a m 中，这个4 k b 的r a m 也可作存储数据 用。 n r f 9 e 5 的大部分寄存器和标准8 0 5 1 相同，只是增加了一些特殊功能寄存器， 如r a d i o ( p 2 ) 、a d c c o n 、a d c d a l r a h 、a d c d a t a i 。a d c s t a t i c 、p w m c o n 、 p w m d u t y 、r c a p 2 l 、r c a p 2 h 、c k l f c o n 等。n r f 9 e 5 中的p 0 、p l 和p 2 口寄存器地址和标准8 0 51 中的相同，都是0 x 8 0 、0 x 9 0 、0 x a o ，但功能和标准 8 0 5 l 中的有所不同。 2 ) c k l f 时钟、r t c 唤醒定时器、g p i o 唤醒和w t o n r f 9 e 5 内部包括一个常开的低频时钟c k l f 。当晶振工作时，c k l f = 4 k h z 。 当晶振不工作，v d d = i 8 v 时，c k l f 是一个不能被禁止的低功耗r c 振荡器。 r t c 唤醒定时器、g p i o 唤醒功能和看门狗都工作在c k l f 作用下，以保证关键 功能在掉电模式下能够运行。 r t c 唤醒定时器是一个2 4 位可编程减一计数器，看门狗是一个1 6 进位可编 程减一计数器。看门狗和唤醒定时器的时间通过设置可从3 0 0 岬到8 0 m s 不等， 默认值为l m s 。唤醒定时器由应用程序控制起停。看门狗在一次复位后被禁止。 r t c 唤醒定时器溢出时可输出一个可编程脉冲给i o 口。 g p i o 唤醒功能是通过软件设置p 0 口，使一个或几个引脚具有唤醒功能。通 过边缘触发方式( 上升沿、下降沿或者两者兼有) 和消抖滤波器分别对各脚进行 编程。 3 ) 定时器和计数器 n r f 9 e 5 包括3 个定时器计数器( 定时器0 、定时器l 和定时器2 ) ，每个定 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 时器计数器都以c p u 时钟频率为基准进行定时或计数的。相应结果输出在t o 脚、 t l 脚或t 2 脚，t 0 脚、t l 脚、t 2 脚分别与p o 5 、p 0 6 、p i 0 脚复用。每个定时器 计数器都是1 6 位的，在软件上与之对应的三个特殊功能寄存器( 定时器卜t l o 和t h 0 1 定时器l t l l 和t h i ；定时器2 t l 2 和t h 2 ) 。默认状态下，n r f 9 e 5 的定时器是以每1 2 个c p u 时钟周期为单位自加次，这点与8 0 5 1 是相同的。 使用默认速率时，指令时间与真实时间就完全相符。 定时器0 和i 有4 种工作方式，通过工作方式寄存器t m o d 和定时器控制 寄存器t c o n 来控制的。4 种模式是：1 3 位定时器计数器模式( 模式o ) 、1 6 位 定时器计数器模式( 模式1 ) 、8 位计数器自动加载模式( 模式2 ) 和两个8 位计 数器模式( 模式3 ，定时器0 独有) 。定时器2 只能工作在1 6 位模式下，工作方 式有1 6 位定时器计数器、1 6 位带有捕捉模式的定时器和1 6 位自动重载定时器 计数器。 4 ) s p i 接口和d 转换器 s p i ( 串行外设接口) 的接口引脚有m i s o 、s c k 、m o s i 和e e c s n 。s p i 口 的e e c s n 作为e e p r o m 的片选信号，m i s o 、s c k 和m o s ! 与p l 口的低3 位 复用，通过寄存器s p i c t r l 控制来控制功能间的转换，端口功能转换如表2 2 所示： 表2 - 2s p i 端口功能设置 s p ic t r l i = o l 引脚 s p i c t r l = 0 1p la l r n = 0 p la l 工n = l p ld i r n = 0p ld i r n = l s c ks p i 时钟o u t t 2i n p 1 ol np 1 0 o u t m o s is p i 数据输入o u tp 1 1p i 1i np i 1 o u t m i s os p i 数据输出l np 1 2l np 1 2l np i 2i n e e c s n p i 3o u tp 1 3 p 1 3i np 1 3 o u t n r f 9 e 5 片内有一个1 0 位线性a d c ，其转换速率为8 0 k s p s 。a d 转换参考 电压可以通过软件设置在a r e f 和1 2 2 v 之间( 内部参考电压) 。a d 转换器的 4 个输入可通过软件进行选择，通道o 3 可以把对应引脚a i n 0 a i n 3 上的电压 值分别转换为数字值，通道4 用于对n r f 9 e 5 工作电压的监控。a d 转换器的典 型应用是启动停止模式，采样时间是由软件来控制的，默认工作于l o 位方式， 如有特殊需要，可通过软件使其工作于6 位、8 位或1 2 位方式。a d 转换器有 两个寄存器a d cc o n f i gr e g 和a d cd a t ar e g ，输入频道的选择直接由 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集终端硬件系统 s t a r t a d c c o n v 控制，c h s e l 的值从0 到3 分别对应选择a i n 0 到a i n 3 ， 若c h s e l 设置为1 x x x ，则n r f 9 e 5 提供给a d 转换器内部电压：v d d 3 1 2 2 v 。 其转换的结果保存在a d cd a t ar e g 中。 5 ) 串口 n r f 9 e 5 有一个与标准8 0 5 l 相同的串口。两个串口r x d 和t x d 与p 0 1 和 p o 2 复用，串口可以工作在同步或者异步串行通信方式下。在同步串行通信方式 下n r f 9 e 5 提供串行时钟，此时串口的数据传输形式是半双工形式的。在异步串 行通信方式下，串口的数据传输形式是全双工形式的。串口的四种工作方式如表 2 3 所示： 表2 - 3 串口的四种工作方式 工作方式 同步异步波特率时钟数据位开始停止位第九功能 c p ue l k 4 或 0同步8无无 c p uc l l 以 定时器1 或定1 个起始位 l异步8无 时器21 个停止位 c p uc l k 3 2 或 1 个起始位 2异步90 ，1 ，奇偶 c p ue l k 6 41 个停止位 定时器1 或定1 个起始位 3异步90 ，1 ，奇偶 时器21 个停止位 6 ) 射频收发器 n r f 9 e 5 收发器通过内部并行口或内部s p ! 口与其它模块进行通信，具有同 单片射频收发器n r f 9 0 5 相同的功能。收发器通过片内m c u 并行口或s p ! 口与 微控制器通信，数据准备好、载波检测和地址匹配信号能够作为微控制器的中断。 n r f 9 e 5 工作于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h zi s m 频段。收发器由1 个频率发生器、1 个 功率放大器、1 个调制器和2 个接收器组成。输出功率、频率和其它射频参数可 通过对特殊功能寄存器r a d i o ( 0 x a 0 ) 编程进行控制。发射模式下，射频电流 消耗为1lm