沟槽电缆检测系统控制单元设计.doc

课程设计报告课程设计名称： 专业综合课程设计 课程设计题目： 沟槽电缆检测系统控制单元设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 实验室号： 实验组号： 实验时间： 批阅时间： 指导教师： 成 绩： 沈阳工业大学课程设计报告专业班级： 测控技术与仪器 1301班 学号： 130401121 姓名： 黄森源 1. 题目名称沟槽电缆检测系统控制单元设计2. 课设目的（1）系统设计原理说明及方案论证；（2）完成硬件电路原理图；（3）完成软件程序流程图；（4）部分程序。3. 课设内容（1）研究电缆局部放电超声波检测技术基本原理；（2）研究局部放电超声波信号的频谱特性和衰减特征；（3）根据处理过的超声波信号选择合适的A/D转换器，设计信号A/D转换、控制、显示等电路；（4）以单片机为控制核心，实现需求功能。4. 课设方案4.1课设步骤：1）分析局部放电产生的原因，局部放电的原理； 2）根据局部放电在线检测的要求，选择了合适的超声波传感器、设计了前置放大、滤波、输出放大、A/D 转换、数据存储及控制电路； 3)对获取的数据进行FFT转换，并显示与分析结果。4.2课设方案分析：1）局部放电的原理：当绝缘体中局部地区的电场强度达到击穿场强时，该区域就发生放电。在实际的绝缘体系中，有的是由复合材料构成的，在不同的材料中的电场强度不同，而且击穿场强也不同，这就可能在某种材料中首先出现局部放电。有的绝缘体系虽然是由单一的材料做成，但由于在制造中残留，或在使用中绝缘老化而产生气泡、裂缝或其它杂质，在这些绝缘的缺陷中往往会首先发生放电，其中最常发生的是气泡的放电。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。大型电力变压器基本采用油一纸复合绝缘及油-屏障绝缘结构，局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度偏高的部位。2）放大器的选择：放大电路的设计时主要考虑的问题有两个，一是在微弱信号放大时应尽量减小放大电路的噪声，不能让噪声将有用信号淹没；二是要保证采样电路能够获得足够频宽的信号，通常放大器带宽要比有用信号的最高频率大十倍以上。 3）AD的选择方法：根据信号通道的总误差和系统的要求，选取 A/D 转换器精度及分辨率。并不一定要分辨率越高越好，如果通道的总误差大于 A/D 转换器的量化误差，那么选取高分辨率的 A/D 转换器也是就失去意义了。 根据信号对象的变化率，确定 A/D 转换器的转换速率，以确保系统的实时性要求，但同时不能一味的追求高的转换速率，否则会增加系统的成本，而对系统的性能却没有大的改善。 另外转换速率和分辨率要综合起来进行考虑，进行相互的折中。当 A/D 转换器的分辨率很高的时候，比如 16 位分辨率，它的转换速率一般都只有几百 KHz，而且价格很贵。 根据环境条件选择 A/D 转换器的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠性等级等性能。 根据主控 CPU 接口特征，考虑如何选择 A/D 转换器的输出状态，例如，A/D转换器是并行输出还是串行输出；是何种编码格式：与 TTL、CMOS 及 ECL 电路的电气兼容性等。4）傅里叶在信号分析的应用：傅里叶变换是一种最常用最基本的分析方法。它是一种频域分析法，能很好地刻画信号的频率特性，但不提供任何时域信息。这一缺陷导致在信号分析中长期存在如下一对基本矛盾：即时域与频域的局部化矛盾.在Fourier变换中，人们若想得到信号的时域信息，就得不到频域信息，反之亦然.Fourier变换的传统信号处理方法只能分析.信号的统计平均结果，无法处理非平稳信号.Fourier分析，是一种纯频域分析方法，它用频率从零到无穷大的各复正弦分量的叠加来拟合原函数f(t)在每个时刻的值，也即用Fw来分辩f(t)，那么，Fw在有限频域上的信息就不足以确定在任意小范围内的函数f(t)，特别是非平稳信号在时间轴上的任何突变，其频谱将散布在整个频率轴上，Fourier分析非常适用于确定性的平稳信号，在对非线性、非平稳过程的处理上，Fourier分析显然存在着一定的不足；另一方面，距平值变量是很多研究问题的出发点，它既是从原变量z()中提取出来，又能够在不改变原变量物理特性的前提下代替原变量，而如何求出满足这种条件的非线性、非平稳过程数据的距平值变量，也是资料分析中的一个现实问题5方案设计5.1 AD芯片的选择：已知输入信号的频率在50KHz左右。如果使用单片机内部自带的A/D进行采样，最快的速度是180个时钟，单片机的主频是32MHz，所以最快的转换并存储的时间频率是160KHz，勉强达到采样的最基本要求。依据对方案的分析，综合考虑以上各因素，以及本系统设计指标要求，选用了ANALOG 公司的 A/D转换器 AD9225。图1 AD9225本采集系统的最高采样速率可以达到 20MHz，从性价比等多个方面综合考虑采用了美国 AD 公司的高速模数转换器 AD9225。AD9225 是 ADI 公司生产的高性能的单片、单电源供电、12 位精度、最高采样率为 40Msps 高速模数转换器，片内集成高性能的采样保持放大器和参考电压源。AD9225 采用带有误差校正逻辑的四级差分流水结构，以保证在 40Msps 采样率下获得精确的 12 位数据。除了最后一级，每一级都有一个低分辨率的闪速 A/D 与一个残差放大器(MDAC)相连。此放大器用来放大重建 DAC 的输出和下一级闪速 A/D 的输入差，每一级的最后一位作为冗余位，以校验数字误差。 图2 AD9225结构如图5.2 AD9225 电源电路和去噪电路设计:图3 AD电源电路和去噪电路为尽量的去除数字电源和模拟电源的相互干扰，本芯片提供了分离的数字模拟电源，为了尽可能的减少电源不稳定带来的误差，本设计中分别加入了电源滤波电路，如图 3 所示，同时为了降低参考电源的噪声影响，在 CAPB 与 CAPT 之间设计了电容网络5.3 数据的读取:传统的AD9225的存储电路设计是外接ROM或者RAM进行外部存储器的扩展实现“快采慢读”的方式，通过溢出指示位OTR共13位与两片628512相连。两片存储芯片组成并联结构,由同一地址发生器产生地址,同一写信号线控制写操作。此方法对高速采样系统的有点不言而喻，而对中低频的采样电路来说，硬件电路的设计较复杂，而且成本较高。对我们50KHz的采样信号来说，在满足设计要求下，不需要如此高的采样速度，所以考虑一个更适合的方案。经综合考虑，在满足电路设计要求的情况下，采用12路D触发器对输出数据进行锁存，通过时序电路的设计，当AD输出数据时对数据进行锁存，单片机需要读取数据时，只需要给一个读取信号，就可以读出AD转换的数据。既单片机即使工作在最高速度（32MIPS）下，其单周期指令为 32ns，通过控制D触发器来锁存A/D芯片输出的AD值，再由单片机将数据读入，从给出读取指令到将AD值存储，大约需要40个时钟，所以采样频率大约是800KHz，满足了AD采样的要求。此方法在保证采样数据基本要求的情况下，不仅能有效的减少了硬件电路的设计的复杂程度，而且减少了成本的投入。接口电路框图如下所示。DB0DB7DB8DB12CLKQ0 Q5D0D5CLK逻辑控制电路Q6 Q11D6 D11CLKLEP1.4CLKDB0DB11AD922574F17474F174图4 AD9225与74LS174接口图AD9225每四个时钟完成一次采样与与数据输出，所以要在四个时钟的周期中数据锁存器至少要有一个时钟。如上图所示，在四个时钟周期中，锁存时钟LE有两个上升沿时钟，所以满足设计要求。当需要读取AD时，只需要将单片机的P1.4 I/O拉低，采用连续读数的方法，将所需要的数据一次性全部读入。由上的论证可知，在连续的读数的方法下，可以忽略因单片机读数产生的延时，对数据的采样没有影响。CLKLE二分频二分频反相器与门oscP1.4CLKLE图5 逻辑控制电路与时序图5.4 数据的处理：数据处理采用傅里叶变换，将获得数据转换成频谱图显示在屏幕上，然而在实际中傅里叶变换并不适合计算机上使用。所以使用快速傅里叶变换（FFT）。FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。虽然很多人都知道FFT是什么，可以用来做什么，怎么去做，但是却不知道FFT之后的结果是什意思、如何决定要使用多少点来做FFT。现在圈圈就根据实际经验来说说FFT结果的具体物理意义。一个模拟信号，经过ADC采样之后，就变成了数字信号。采样定理告诉我们，采样频率要大于信号频率的两倍，这些我就不在此罗嗦了。采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了。N个采样点，经过FFT之后，就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。5.5 原理图：图6 总原理图图7 PCB原理图5.6 程序流程图：是否开始系统初始化连续取32个AD值ADP1.4 = 0P1.4 = 1结束读取并保存AD值是否取够32个值进行FFT转换显示转换后的图形图8 主程序流程图6. 课设程序#include STC15F2K60S2.H#include math.h#include intrins.h#include led.hsbit LE = P14;typedef struct complex float re;float im;Complex;Complex xdata data232;unsigned char xdata data132;code unsigned char nxd32= 0,16,8,24,4,20,12,28,2,18,10,26,6,22,14,30, 1,17,9,25,5,21,13,29,3,19,11,27,7,23,15,31;unsigned int xdata frq116=0; /FFT转换后存储的数组Complex productComplex(Complex complex1,Complex complex2);void fftgo(void);void Inint();void LCD_Inint();void Deal_FFT(unsigned int *p);void main(void)char i =0;LCD_Inint(); /初始化LCD屏幕while(1)for(i=0;i32;i+) /连续读入32个采样值LE = 0;data1i = (P1&0x0F)8)|P0;LE = 1;fftgo(); /进行FFT转换Deal_FFT(&frq1); /显示转换后的频谱/*求两个复数的积*/ Complex productComplex(Complex complex1,Complex complex2) Complex xdata Node; Node.re=complex1.re*complex2.re-complex1.im*complex2.im; Node.im=complex1.im*complex2.re+complex2.im*complex1.re; return Node; /*进行FFT转换*/void fftgo(void) unsigned char xdata i,ii,j,k,kp,p,mm,Nz; Complex xdata WN,u,t; for(p=0;p32;p+) i=nxdp;data2p.re=data1i; data2p.im=0; for(mm=0;mm5;mm+) Nz=pow(2,mm+1); u.re=1;u.im=0; WN.re=cos(-2*3.1416/Nz); WN.im=sin(-2*3.1416/Nz); for(j=0;jNz/2;j+) for(k=j;k32;k=k+Nz) kp=k+Nz/2; t=productComplex(data2kp,u); data2kp.re=data2k.re-t.re; data2kp.im=data2k.im-t.im; data2k.re=data2k.re+t.re; data2k.im=data2k.im+t.im; u=productComplex(u,WN); for(ii=0;ii16;ii+)frq1ii=sqrt(data2ii+1.re*data2ii+1.re+data2ii+1.im*data2ii+1.im)/4; /*LCD屏幕初始化*/void LCD_Inint()lcd_reset=0; delay_us(100);_nop_();_nop_();_nop_();lcd_reset=1; transfer_command_lcd(0xe2); transfer_command_lcd(0x2c); transfer_command_lcd(0x2e); transfer_command_lcd(0x2f); transfer_command_lcd(0x23); transfer_command_lcd(0x81); transfer_command_lcd(0x28); transfer_command_lcd(0xa2); transfer_command_lcd(0xc8); transfer_command_lcd(0xa0); transfer_command_lcd(0x40); transfer_command_lcd(0xaf); /*FFT显示程序*/void Deal_FFT(unsigned int *p)unsigned char ch_number =0;unsigned char F_W =0,F_H =0;for(ch_number =0;ch_number16;ch_number+)F_H=*(p+ch_number)/50;F_W=*(p+ch_number)%50/16;display_graphic_1x1(F_H,ch_number+2,F_W);7出现的问题及解决方法（1）出现问题：传统AD不能满足设计要求；解决方法：采样了高速AD转换芯片，并设计了一个符合设计要求，且低成本的采样电路，同时通过软件编程的方法，代替了一些硬件的部分。不仅降低了硬件电路较为复杂设计，也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。（2）出现的问题：傅里叶变换花费时间较长，影响系统工作实时性；解决方法：进行频谱转换时使用快速傅里叶变换(FFT)，同时在保证精度的前提下，程序中减少浮点数的使用，用整形数替换，进一步降低进行FFT转换时所花费的时间，保证系统工作的实时性。（3）出现的问题：AD9225对标准信号采样是精度误差较大解决方法：对AD9225的供电电源加上去耦合电路，提高电源的稳定，同时对基准电源也加上去耦合电路。同时为尽量的去除数字电源和模拟电源的相互干扰，分离的数字与模拟电源，为了尽可能的减少电源不稳定带来的误差。8. 课设总结首先要感