基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计毕业设计论文.doc

基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 I 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 摘 要 随着我国电力事业的快速发展 输电线路网络大面积铺设 并呈现出杆塔多 线 路长的特征 输电杆塔大多处在复杂的野外自然环境 并且具有高耸入云的特殊结构 一旦输电杆塔遭到破坏 将导致电力供应中断 影响工农业生产及人民群众的正常生 活 严重时会导致火灾等次生灾害 造成无法挽回的经济损失 因此 杆塔振动分析 及监测具有重要的研究价值和使用价值 本文研究的主要内容 针对输电杆塔高耸入云的特殊结构及其所处的特殊外部环 境 设计一种输电线路杆塔振动状态识别单元 具体方法 在输电杆塔上安装振动传 感器 采集输电杆塔受外部异物撞击时的振动信号 信号经调理电路处理后 送入单 片机进行处理 采样得到的振动数据信息 经傅里叶变换 FFT 后 得到振动信号的 振动频率及其对应的幅值 将其作为振动特征参数 判断输电杆塔的振动情况 同时 利用无线通信 ZigBee 技术将监测结果实时地发送至远端的主站 经仿真实验及实践分析表明 输电杆塔振动识别单元准确性高 监测距离长 具 有较强的抗干扰能力 杆塔振动识别单元具有重要的研究意义和现实价值 关键词 输电线路杆塔 快速傅里叶变换 FFT ZigBee 技术 振动检测 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 II Abstract With the rapid development of China s power industry transmission line network shows the characteristics of having more tower and longer cable Transmission towers are mostly in complex natural environment and having a special structure high into the air Once the transmission towers are destroyed it will cause power outages and will influence industrial and agricultural production and people s normal life even will lead to serious secondary disasters such as fire resulting in irreparable economic losses Therefore the tower vibration analysis and monitoring has important research value and use value The main content of this paper in view of the special structure of the transmission tower high into the sky and the special external environment around it a transmission line tower vibration state recognition unit is designed Specific methods vibration sensors are installed on transmission tower collecting the vibration signals when transmission tower is hit by objects from outside After processed by adjusting circuit signals are sent into the microcontroller for processing It will get the vibration frequency and the corresponding amplitudes after Fourier transform FFT of the sampled Vibration data as vibration characteristic parameters to determine the vibration transmission tower At the same time using the ZigBee wireless communication technology the monitoring results in real time will be sent to the remote host The simulation experiments and practical analysis have showed that the transmission tower vibration identification unit has the features of high accuracy long distance monitoring and strong anti interference ability Tower vibration identification unit has important research significance and practical value Key words Transmission line tower Fast Fourier transform FFT ZigBee Vibration detection 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 III 目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究的意义 1 1 2 国内外发展与现状 1 1 3 本文主要研究内容 2 2 输电杆塔振动识别单元的整体设计方案 3 2 1 输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案 3 2 1 1 传感器 4 2 1 2 微处理器 5 2 1 3 无线通信 5 2 1 4 电源转换模块 6 2 2 软件设计方案 8 2 3 本章总结 8 3 输电杆塔振动识别单元的硬件实现 10 3 1 系统电源设计 10 3 1 1 IAS 2W 系列 DC DC 转换器 11 3 1 2 AS1117 芯片电路连接图 11 3 1 3 MC1403 电路连接图 12 3 2 振动信号调理电路设计 12 3 2 1 放大电路设计 12 3 2 2 滤波电路设计 13 3 2 3 限幅电路设计 14 3 2 4 加法电路设计 15 3 3 微处理器芯片外围电路设计 16 3 3 1 JTAG 调试接口 17 3 3 2 晶体振荡电路 17 3 4 通讯模块的实现 18 3 5 本章总结 18 4 输电杆塔振动识别单元的软件实现 20 4 1 总体程序设计 20 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 IV 4 2 单片机相关配置 22 4 2 1 端口配置 22 4 2 2 ADC0 和 DMA0 23 4 3 MODBUS通信协议 24 4 4 快速傅里叶变换 24 4 5 本章总结 27 5 测试与分析 28 5 1 系统功耗测试 28 5 2 调理电路测试与分析 28 5 3 无线通信测试与分析 30 6 结束语 32 参考文献 33 致 谢 35 附录 A 36 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 1 1 绪论 1 1 课题研究的意义 安全生产是电力企业永恒的主题 一旦电网出现故障 停电区域的工农业生产将 完全停止 而电力安全事故绝大多数是由于输电网络的杆塔倒塔 导线断线等造成的 输电网络分散 区域跨度大 基本延伸到了每一个角落 一般处在高山 河流等地质 环境复杂的区域 仅靠电力系统的巡线人员去定期巡检 将会浪费大量的人力 物力 且不可能取得好的巡检效果 随着智能电网建设的加速及国民经济高速发展导致用电量激增 国家电网为减少 因为定期人工检修从而对设备 过渡 检修及造成人力浪费和对设备漏检造成杆塔灾 害事故 进而降低输电杆塔运行的可靠性和造成电力企业自身的经济损失 迫切需要 输电杆塔在线监测装置和故障诊断系统来即使可靠的提供杆塔运行状态以提示寻线人 员进行针对性的巡检 以降低电力安全事故的发生概率 确保电网安全稳定运行 本课题的研究意义为通过研制一套针对输电杆塔振动的在线识别监测系统为输电 杆塔的安全稳定运行 保驾护航 通过实时动态监测 及时掌握输电杆塔的运行工作 状态使输电杆塔的监测达到智能化水平 通过故障诊断使得在后续的检修中 能够对 故障点快速定位和对故障原因的了解 使得巡线人员能够及时地进行有针对性的故障 排除工作 从而大大提高工作效率 1 2 国内外发展与现状 国外对输变电设备工作状态的监测研究工作开展的比较早 早在 20 世纪 70 年代 美国就开始了以在线监测为基础的状态检修技术的研究与应用 但是该技术应用到输 变电设备上是从 80 年代才开始的 比较成功的有澳大利亚昆士兰的合成绝缘子泄漏电 流监测设备 美国电气研究协会研发的输电线路动态容量监测系统 国内方面 输变 电设备的检修机制经历了故障发生后的事后检修到定期检修的管理制度再到现在先进 的状态检修机制三个阶段 随着近年来输电事故的频发 特别是 2008 年的南方电网特大冰雪灾害增强了对输 电线路杆塔监测的紧迫性和必要性 国内科研院所也陆续展开了针对输电设备监测系 统的研究与开发工作 武汉超高压研究所 国网电力科学研究院对雷击定位系统的研 究 清华大学和武汉超高压研究所研制了以微处理器为主的泄漏电流监测系统 上海 交通大学研究了通过对输电设备现场实际气象条件和输电线路自身属性参数等数据的 综合分析来实时动态确定输电容量的监测系统 视频远程监控方面 随着三大电信运 营商 3G 无线通信网络的社会化和商用化 使得输电设备远程视频监控系统的应用发展 迅速 在 2008 年南方电网冰雪灾害事故中 通过视频监控系统远程查看杆塔 导线的 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 2 现场覆冰情况 有针对性地指导除冰融冰工作 总体上取得了比较理想的效果 武汉 星创源科技有限公司 北京得多电力技术有限公司 杭州东信电力科技有限公司研制 了系统化的诸如输电线路视频监测系统 输电线路覆冰在线监测系统 输电线路微气 象在线监测系统 输电杆塔倾斜在线监测系统 输电线路风偏在线监测系统 输电线 路导线温度在线监测系统等专业性的输电设备在线监测系统 实现一个屏幕控制整个 电网的目标 近年来 国内外相关研究机构和企业正在积极开展机器人和无人直升机对输电线 路的检修工作 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究的内容是设计出对高压输电杆塔振动的识别单元 整个单元的设计 分为硬件部分和软件部分 主要实现的内容具体可分为三个部分 信号采集 数据处 理 无线通信技术 其具体流程简单描述如下 安装在输电杆塔上的传感器 将杆塔的振动情况转换成电信号 采集信号送入调 理电路 调理电路对信号进行放大 滤波 限幅等 将信号处理成可用的有效信号 经调理电路处理后的信号 送入单片机 单片机连续采样得到信号的数据信息 经快 速傅里叶变换 FFT 处理数据后 得到振动信号的频率及振幅 据此判断输电杆塔的 振动情况 同时利用无线通信 ZigBee 技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站 本文在如下的内容中详细介绍整个系统的整体设计方案 硬件设计 软件设计以 及系统测试与分析 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 3 2 输电杆塔振动识别单元的整体设计方案 输电杆塔振动识别单元是针对输电杆塔特殊的高耸入云结构及所处的特殊外部环 境 设计的一套针对高压线路杆塔的振动识别实时系统 其具体组成为是 输电杆塔 上安装的感应设备 传感器 针对监测输电杆塔面临的外部异物撞击振动信号的调 理电路 调理电路块 用来处理信号数据信息的微处理器 单片机 以及处理后 数据的传输 通信模块等 其连接示意图如图 2 1 所示 微处理器 ZigBee模块 传感器 LC0104 调理电路 ZigBee模块 主站ZigBee UARTRS232 图 2 1 系统整体构架 振动识别系统的操作原理为 安装在输电杆塔上的传感器 实时地将杆塔的振动情况转换成电信号 转换过来 的信号将直接送入调理电路 调理电路中将信号放大适当倍数并作滤波处理 同时通 过限幅 加法等电路 将信号处理成单片机可采样的信号 单片机 C8051F060 采样引 脚电压输入范围 0 2 5V 经调理电路处理后的信号 送入单片机 单片机连续采样得 到信号的数据信息 经傅里叶变换 FFT 处理数据后 得到振动信号的频率及振幅 据此判断输电杆塔的振动情况 同时利用无线通信 ZigBee 技术将判定结果实时的发送 至远端的上位机主站 2 1 输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案 振动识别单元的硬件设计结构图如图 2 2 所示 从图中我们可以看出 整个硬件电 路可以分为信号调理电路 电源模块 微处理器电路 及通信模块 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 4 放大电路滤波电路跟踪 限幅减法 反相 Signal Signal 电 源 转 换 模 块 输 入 电 源 2 5V 3 3V 5V 12V 24V 传感器 12V 12V 5V 5V 2 5V 微处理器 C8051F060 ADC0 UART0 电 源 ZigBee 模块 UART 发 送 至 远 端 图 2 2 系统硬件设计结构框架 2 1 1 传感器 系统采用秦皇岛朗斯公司 LC01 系列的内装微型 IC 放大器的振动传感器 LC0104 在传感器内部 它将传统的压电式加速度传感器与电荷放大器集成在一起 同时它兼容性良好 能直接与具有记录 显示功能的采集仪器相连接 从而很大程度 上降低了测试系统的复杂性 同时在确保系统可靠性的情况下 提高系统的测试精度 该类传感器广泛用于航空航天 电力 机械 铁路 桥梁 建筑 车船 地质等领域 内装 IC 压电加速度传感器有微型 IC 放大器和压电加速度传感器组成 传感器信 号输出具有两线联接特征 信号输出线与供传感器工作用的恒流源输入线为同一根线 另一根线为地线 传感器与外接信号调理电路原理简图如图 2 3 所示 PS A 24V 调理 电路 微型IC 放大器 压 电 加速度传感器 内装IC压电加速度传感器 外接信号调理电路 图 2 3 压电加速度传感器与外界电路原理图 LC0104 内装 IC 压电加速传感器技术指标参数如表 2 1 所示 另有指标如下 输出偏压 8 12VDC 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 5 恒定电流 2 20mA 典型值 4mA 激励电压 18 30VDC 典型值 24VDC 表 2 1 LC0104 技术指标参数 型号灵敏度 mV g量程 g频率范围 Hz 分辨率 g重量 mg用途 LC0104100500 5 90000 000228通用测振 2 1 2 微处理器 C8051F060 是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 采用 Silicon Lab 的专利 CIP 51 微控制器内核 具有 59 个数字 I O 引脚 下面列出了一些主要特性 高速 流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 两个 16 位 1Msps 的 ADC 带 DMA 控制器 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 两个 12 位 DAC 具有可编程数据更新方式 64KB 可在系统编程的 FLASH 存储器 4352 4K 256 字节的片内 RAM 硬件实现的 SPI SMBus I2C 和两个 UART 串行接口 5 个通用的 16 位定时器 片内看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器 本文用到了微处理器中 ADC16 位数据采样 DMA 接口 UART 串口通信 定时 器 C8051F060 的 ADC 系统包括两个 1Msps 16 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC 其中集成了跟踪保持电路 可编程窗口检测器和 DMA 接口 两个 ADC 及相应 的跟踪保持电路都可以被独立使能和禁止 当禁止时 ADC 处于低功耗关断方式 DMA 接口的作用是与 ADC 协同工作 将 ADC 输出数据在不经过处理器指令而 直接写入指定的 XRAM 区域 C8051F060MCU 内部有两个全双工增强型 UART UART0 是一个具有地址识别硬 件和帧错误检测的增强型串行口 它可以工作在半双工同步方式和全双工一步方式 UART0 有两个中断源 一个发送中断标志和一个接收中断标志 UART0 提供四种工 作方式 四种方式提供不同的波特率和通信协议 C8051F060 MCU 内部有 5 个计数器 定时器 这些计数器 定时器可以用于测量时 间间隔 对外部事件计数或产生周期性的中断请求 其中定时器 0 和定时器 1 有四种 工作方式 定时器 2 定时器 3 和定时器 4 是 16 位自动重装载并具有捕捉功能的定时 器 这三个定时器用法完全相同 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 6 2 1 3 无线通信 Zigbee 是基于 IEEE802 15 4 标准的低功耗广域网协议 ZigBee 技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 ZigBee 协议从下到上分别为物理层 PHY 媒体访问控制层 MAC 传输层 TL 网络层 NWK 应用层 APL 等 其中物理层和媒体访问控制层 遵循 IEEE802 15 4 标准的规定 ZigBee 模块以其工业级应用设计 稳定可靠 标准易用 功能强大等突出特点 在通信市场发展迅猛 已广泛应用于物联网产业链中的 M2M 行业 如智能电网 智能 交通 移动 POS 终端 工业自动化 供应链自动化 智能建筑 公共安全 环境保护 遥感勘测 农业 煤矿 石化等领域 本文所采用 ZigBee 模块是基于 ZigBee2007 协议 可视传输距离可达 1600 米的 ZigBee 技术应用 该模块具有自动组网的功能 所有的模块上电即自动组网 Zigbee 网络通常由三种节点构成 Coordinator 用来创建一个 Zigbee 网络 并为初次加入网 络的节点分配地址 每个 Zigbee 网络需要且只需要一个 Coordinator Router 可以收 发数据 起到路由的作用 End Device 终端节点 通常定义为电池供电的低功耗设备 本文中配置振动识别端 ZigBee 模块为 Router 用来为下位机收发数据 上位机端 ZigBee 模块为 Coordinator 作为组网的主机 当全部上电 Coordinator 自动将所在范 围内所有 Router 组网并分配地址 组网完成后 ZigBee 模块间实行透明传输数据方式 ZigBee 模块参数如下 输入电压范围 2 6V 3 6V 标准电压 DC3 3V 串口速率可设置 9600bps 19200bps 38400bps 57600bps 115200bps 无线频率 2 4G 2460MHz 传输距离 可视 开阔 传输距离 1600 米 工作电流 发射 120mA 最大 80MA 平均 接收 45mA 最大 待机 40MA 最大 接口 UART3 3V 2 1 4 电源转换模块 从图 2 2 系统硬件设计结构框架中 我们可以看到 本系统需要的电源种类多 因 此为了使用方便 在硬件电路中 我们设计了多种电源转换模块 其中涉及到总输入 电源转换 直流 5V 转 24V 直流 5V 转 12V 直流 5V 转 5V 直流 5V 转 3 3V 直流 5V 转 2 5V 在本设计中用 IA S 2W 系列 DC DC 转换器实现直流 5V 转 24V 12V 和 5V 用 AS1117 低压差的线性稳压器实现直流 5V 转 3 3V 用 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 7 MC1403 实现直流 5V 转 2 5V 以下为各转换模块的简介 IAS 2W 系列 DC DC 转换器采用厚膜电路 高效的稳压芯片 陶瓷电容 全 SMT 加工工艺 性能优良 稳定可靠 电磁兼容性良好 输出文波及噪声小 适用于供电 电源稳定的电路 如图 2 4 所示为 IAS 2W 系列引脚图 Vin 1 GND 2 Vo 7 0V 10 V0 9 IA0512S 2 U14 图 2 4 IAS 2W 引脚图 AS1117 低压差线性稳压器 能提供多种固定电压版本 输出电压有 1 8V 2 5V 2 85V 3 3V 5V 外围应用电路简单 固定电压版本只需要输入输出两 个电容和负载 芯片内部包括启动电路 偏置电路 电压基准源电路 过热保护 过 流保护 功率管极其驱动电路等 本文选择 3 3V 输出版本供微处理器芯片使用 其引 脚排列图如图 2 5 所示 Mark SOT 223 123 图 2 5 AS1117 引脚排列图 AS1117 固定版本典型应用如图 2 6 所示 AS1117 Vin Vout GND ADJ C1 C2 Rload 图 2 6 AS1117 固定版本典型应用图 MC1403 是美国摩托罗拉公司生产的高准确度 低温漂 采用激光修正的带隙基 准电压源 它采用 DIP 8 封装 引脚排列如图 2 7 所示 Vin 4 5V 15V Vout 2 5V 典型值 为了配 8P 插座 还专门设置了 5 个空 脚 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 8 MC1403 8765 1234 VinVout GNDNC NCNCNCNC 图 2 7 MC1403 引脚排列图 2 2 软件设计方案 振动识别单元由安装在杆塔上的传感器模块 微处理器 ZigBee 无线通信 PC 监控 中心组成 软件设计涉及到对信号的采样 采样数据的运算 及与远端上位机的通信 程序 而这些主要的软件设计部分主要是由对芯片 C8051F060 编程来完成 C8051F060 具有两个 16 位 1Msps 的 ADC 带 DMA 控制器 4k 片内 RAM 两个 UART 串行接口 以及定时器可供使用 能满足软件设计的配置要求 如图 2 8 所示为 系统软件设计程序流程图 开始 局部采样 振动预判断 完整采样 FFT变换 有无振动 发送振动识别信息 有无上位机召唤指令 发送当前信息 结束 无 有 无 无 有 有 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 9 图 2 8 系统软件设计程序流程图 从图中可知 软件设计部分也涉及到系统设计的三个主要具体功能 信号采集部 分 数据处理部分 以及信息通信部分 三个部分具体的连接使用 将在后续章节具 体阐述 2 3 本章总结 本章主要介绍了输电杆塔振动检测系统的整体设计方案 并分别 对其中的硬件 设计方案及软件设计方案进行了详细的介绍 在硬件设计方案中给出了整体硬件框架 并介绍了系统监测系统中选取的元器件 简单描述了它们的工作原理 软件设计方案 中描述了整体软件设计构架 系统的整体设计思路 让我们在做系统之前有一个明确 的认识 能更好更清晰的去完成每一个环节 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 10 3 输电杆塔振动识别单元的硬件实现 3 1 系统电源设计 电源设计是决定本设计优劣的一个重要因素 在此前介绍的硬件电路设计中 都 需要提供电源支持 因此电源电路的稳定性决定其他器件的稳定性 最终决定实验结 果的准确性 在硬件电路设计方案中 我们可以看出 在调理电路中 我们需要能提供直流 24V 12V 5V 3 3V 2 5V 的电源 如图 3 1 所示为系统整个电源分配结构图 以下将详细介绍电源转换各模块的实现方法 电源转换模块 输入 电源 2 5V 3 3V 5V 12V 24V 传 感 器 供 电 运 放 供 电 运 放 供 电 加 法 电 路 单 片 机 供 电 图 3 1 系统电源转换示意图 在本设计中 我们改变变阻器阻值设置电源转换模块输出为直流的 5V 考虑到输 电杆塔所处的地理位置及特殊的外部环境 我们需要保证本设计能适用于更多的特殊 偏远 条件落后的环境下 我们采用可调节的宽电压输入的电源模块 为后期的使用 提供更多的选择 我们选择宽电压输入 QS 1212CBD 24W 电源转换模块 其输入电压 范围 3 35V 输出电压范围 1 2 30V 电流 2A 其引脚图如图 3 2 所示 Vin 1 Vin 2 Vo 4 Vo 3 QS 1212CBD U17 QS 1212CBD 24W 5V 图 3 2 QS 1212CBD 电源转换模块引脚图 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 11 3 1 1 IAS 2W 系列 DC DC 转换器 IA0512S 2W 电源转换模块输入电压标称值 5V 输出电压标称值 输出12VDC 电流 o 4 2mAI42mA IA0505S 2W 电源转换模块输入电压标称值 5V 输出电压标称值 输出电5VDC 流 o 20mAI200mA 如图 3 3 所示 给出了电源转换模块的连接电路图 12V 12V 24V GND D3 R21 1 2 3 J6 5V 5V Vin 1 GND 2 Vo 7 0V 10 V0 9 IA0512S 2 U14 Vin 1 GND 2 Vo 7 0V 10 V0 9 IA0505S 2W U16 C50 C51 Vin 1 GND 2 Vo 7 0V 10 V0 9 IA0512S 2 U13 C52 C53 C54 C55 Vin 1 Vin 2 Vo 4 Vo 3 QS 1212CBD U17 QS 1212CBD 24W Vo 1 3 2 4 U20 1 3 2 4 U15 1 3 2 4 U19 5V 图 3 3 电源转换模块电路连接图 3 1 2 AS1117 芯片电路连接图 数据采集芯片 C8051F060 供电需要 3 3V 的模拟电源和数字电源 本文用 AS1117 芯片固定输出 3 3V 版本 其电路连接图如图 3 4 所示 32 1 VV GND INOUT U12 AS1117 10uF C39 0 1uF C400 1uF C41 10uH L1 10uF C43 0 1uF C42 DV3AV3 GND AGND Vo 图 3 4 AS1117 芯片 5V 转 3 3V 电源电路 电路功能 将直流 5V 转换成 3 3V 的模拟电源和 3 3V 数字电源输出 供 C8051F060 使用 电路元器件说明 电路中电容起到滤波的作用 电感 L1 和 C41 C43 组成的 型 电路 电感的作用是起滤波作用 另外当数字电路工作在高频时电源的脉动比较大 如果和模拟电源一起使用时就会给模拟电源造成干扰 电感在这里使数字电源和模拟 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 12 电源互不影响 都保持比较稳定的状态 3 1 3 MC1403 电路连接图 5V 0 1uF C13 Vin 1 Vout 2 Gnd 3 U7 MC1403 2 5 V 图 3 5MC1403 芯片引脚连接图 电路功能 这部分的电源转换模块作用是输出固定 2 5V 电压 作为减法电路中的 减数 电路元器件说明 MC1403 是低压基准芯片 一般用作需要基本精准的基准电压 的场合 因为输出是固定的 所以电路很简单 就是 Vin 接电源输入 GND 接底 Vout 加一个 0 1uF 1uF 的电容就可以了 3 2 振动信号调理电路设计 各种传感器输出的信号很微弱 所处的环境噪声很大 后续模块很难检测到 信 号频率成分也十分复杂 因此需要对各种传感器的输出信号进行有针对性的调理 来 达到后续模块的采集要求 整个调理电路是由电流稳压电路 放大电路 滤波电路 跟随与限幅电路 减法 与反相电路组成 以下为调理电路结构图 放大电路滤波电路限幅电路加法电路 传感器信号送至采集芯片 图 3 6 调理电路结构图 3 2 1 放大电路设计 如图 3 7 所示 为信号放大电路 电路功能 放大信号 传感器采集的信号是很微弱的 因此首先将信号做放大处 理 本文采用简单的同相放大电路 利用 R3 和 RV1 的阻值比例关系 达到放大信号 的目的 电路元器件说明 为变阻器 在调试电路时 根据需要改变变阻器的阻值来调 1 RV 节放大倍数 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 13 3 2 6 1 5 74 U2 1K R3 12V 12V 0 1uF C2 0 1uF C3 1 8M R2 20K RV1 0 1uF C1 Single In1 Single Out1 图 3 7 信号放大电路 其放大的输出信号计算式为 out S 3 1 31 out 3 in RRV SS R 因此电路的放大倍数为 313V ARRVR 仿真 如图 3 8 所示为放大电路在 Multisim 中仿真结果 输入为 50HZ 2V 的正 弦波形 放大倍数设置为 3 V A 图 3 8 Multisim 中放大电路仿真结果 3 2 2 滤波电路设计 如图 3 9 所示 为信号滤波电路 电路功能 采用二阶有源低通滤波器 滤去信号中的高频部分 电路说明 如图 3 9 所示 这是一个典型的二阶有源低通滤波电路 它是由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成 这样输入阻抗高 输出阻抗低 同相比例放大 电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益 本设计中同相比例放大电路的电压 增益设置为 1 即 二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式为 0 1 VF AA 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 14 3 2 2 0c 22 c c s A A s s Q 其中为截止频率 此设计中 品质因数 当时 c 2 45728 1 c R R C C 0 707Q 2 V A 电路稳定 即运算放大器的负端与输出端短路连接 从而满足稳定要求 1 V A 3 2 6 1 5 74 U4 0 1uF C28 5 1K R5 12V 12V 0 1uF C10 0 1uF C8 1uF C7 1 5K R4 Single In2 Single Out2 图 3 9 滤波电路 仿真 如图 3 10 所示为滤波电路在 Multisim 中仿真结果图 输入为 50HZ 2V 及 1000HZ 0 2V 的电压叠加波形 从图中可以看到经滤波后 高频波形被略去 输出波 形是平滑的正弦波形 说明滤波效果很好 图 3 10Multisim 中滤波电路仿真结果 3 2 3 限幅电路设计 如图 3 11 所示 为信号限幅电路 电路功能 限幅 分压 限制输出信号的幅值 并使信号输出幅值在一定的范围 内 主要是满足单片机采样引脚输入电压范围为 0 2 5V 之间的硬件要求 使输出信号 为单片机可用的有效信号 电路元器件说明 电路前半部分设置一个跟随电路 使得输入阻抗高 输出阻抗 低 两个二极管 起到限幅的作用 当信号波峰大于 5V 则 D1 导通 D2 截止 后续 电路的最大峰值为 5V 当信号波谷小于 5V 则 D1 截止 D2 导通 后续电路的最小 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 15 值为 5V RV2 为变阻器 通过变阻器的阻值变化 改变输出信号大小 1K R9 D1 D2 5V 5V 3 2 6 1 5 74 U5 12V 12V 0 1uF C11 0 1uF C12 10K RV2 Single In3 Single Out3 图 3 11 限幅电路 仿真 图 3 12 所示为限幅电路在 Multisim 中仿真结果 输入为 50HZ 10V 的正 弦波形 从图中可知 当输入信号幅值大于 5V 时 输出信号最大为 5V 图 3 12 Multisim 中限幅电路仿真结果 3 3 微处理器芯片外围电路设计 采集的主芯片使用完全集成混合信号片上系统级芯片 C8051F060 芯片的微控制 器与 MCS 51 指令集及内核完全兼容 高速的流水线操作 是大部分指令能够在一个 或两个周期内完成 片内集成了两个 16 位 1Msps 的 ADC 带有 DMA 控制器 可以 很方便地在短时间内采集大量的数据 该款单片机在提高速度的同时 集成了众多的 硬件资源 不需要和传统的单片机一样去外扩大量的器件 就可以实现复杂且高速的 数据采集功能 数据采集时 C8051F060 的内部硬件资源使用如下图 3 16 所示 ADC0 Time3 DMA0XRAM Signal 图 3 16 C8051F060 数据采集流程图 数据采集板电路设计如附图 1 所示 C8051F060 芯片中 AV3 是模拟电源端 DV3 是数字电源端 AGND 是模拟地端 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 16 GND 是数字地端 其中模拟电源和数字电源接 3 3V 数字地和模拟地均接地 3 3 1 JTAG 调试接口 图 3 17 所示为单片机 JTAG 调试外围接口电路 片内 JTAG 调试电路允许使用安 装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式 不占用片内资源 全速 在线调试 该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器 支持断点 观察点 单步及运行和停机 命令 在使用 JTAG 调试时 所有的模拟和数字外设可全功能运行 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 U11 TDOTMS TDI 4 75K R20 DV3 DV3 TCK 图 3 17 JTAG 调试接口 3 3 2 晶体振荡电路 C8051F060 芯片振荡频率最大不能超过 25MHz C8051F060 包含一个可编程内部 振荡器和一个外部振荡器驱动电路 可以使用 OSCICN 和 OSCICL 寄存器来使能 禁止 和校准内部振荡器 系统时钟可以由外部振荡器电路或内部振荡器分频提供 图 3 18 所示为 C8051F060 芯片的晶体振荡电路 具体元器件的参数 电容 C31 和 C32 的值为 33pF 石英晶体振荡器的标准频率为 22 1184MHz 22 1184MHz Y1 33pF C31 33pF C32 XTAL1 XTAL2 图 3 18 晶体振荡电路 3 4 通讯模块的实现 整个系统的数据传输主要采用 ZigBee 传输 下位机与上位机的通信直接采用集成 的 ZigBee 模块 利用 C8051F060 中的交叉开关 配置 P0 0 和 P0 1 分别为 TX RX ZigBee 模块中已有转 RS232 串口 因此直接将处理器芯片与 ZigBee 模块相 联 如图 3 19 所示 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 17 RX 24 TX 25 GND 31 ZigBee 3 3Vin 32 U18 DV3 P0 0 P0 1 图 3 19 ZigBee 模块电路连接图 本设计中用到的 ZigBee 模块引脚图如图 3 20 所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 J1J2 Debug D Debug C P1 7 P2 0 P1 5 P1 6 P1 3 P1 4 LED 2 P1 2 NC NC3 3Vin GND LED 1 P0 7 P0 6 RTS CTS TX RX SW1 P0 0 Reset N ZigBee模块 11 9 7 5 3 1 12 10 8 6 4 2 J1 11 9 7 5 3 1 12 10 8 6 4 2 J2 图 3 20 ZigBee 模块引脚图 3 5 本章总结 本章主要介绍了输电杆塔整栋识别单元的硬件设计实现 这部分主要介绍了系统 电源设计 调理电路设计 微处理器的外围电路设计 以及通信模块的实现 并在设计的过程中 均用 Multisim 对电路进行仿真 从仿真结果图中可以看出 设计 电路满足需求 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 18 4 输电杆塔振动识别单元的软件实现 4 1 总体程序设计 系统的软件部分 实现 C8051F060 相关模块初始化和上位机的通信准备 在底层 采集板与上位机握手成功后 启动 ADC0 进行数据采样 DMA 存储与 UART0 传输 AD 模块使用芯片片内 16 位 ADC0 设置其工作在单端方式 使用专用的 1 25V 电压 基准 Timer3 模块的功能为定时时间到 产生溢出从而启动 ADC0 转换 DMA 模块 与 ADC0 模块协同工作 将 ADC0 输出不经过 CPU 直接写入指定的 XRAM 区域来实 现数据的高速采集和缓存 将采集存储的数据进行 FFT 变换 得出固定频率的幅值 根据计算的结果算出最大的幅值 据此判断输电杆塔是否振动 最大幅值的大小一定 程度上反应输电杆塔的振动剧烈程度 最后芯片通过串口通信将判断结果发送给 ZigBee 模块 后者通过 ZigBee 无线网络 传给与上位机连接的 ZigBee 模块网络节点 上位机收到数据并显示出来 C8051F060 的程序流程如图 4 1 所示 其中变量说明如下 flag cy 区分采样类型 flag cy 1 表示已进行初步局部采样 若局部采样有 振动 下一步将进行完整采样 flag cy 0 表示要进行局部采样 shake yes 振动标志变量 shake yes 1 表示有振动 否则相反 data receive 数组 用于存储接收到的数据 data send 数组 用于存储振动信息 程序流程具体说明 系统上电后 首先关闭看门狗 然后进行各个模块的初始化 使能 UART0 的接收中断 当接收到上位机数据 存入数组 data receive 中 单片机进 入循环程序 检测 flag cy 的值 设定 DMA 存储的数据个数 之后启动定时器 3 TR3 1 定时器初始设置为自动重装方式 溢出时使能启动 ADC0 转换 因此定时 器每溢出一次 ADC0 转换一次 ADC0 设置的采样频率为 RATE SAMPLES 在此同 时 DMA0 将 NUM SAMPLES 的样本数据存入指定存储区域 以 DMA0 设置的 XRAM START ADD 地址为数据存储的起始地址 然后将样本数据进行 FFT 分析 得出固定频率出的幅值 根据幅值的大小 调用 judge shake 判断是否有振动 当没有 振动时 检测 data receive 中数据 看是否有上位机请求数据指令 并根据指令情况 发送或者不发送相应信息 当判断出有振动时 根据 flag cy 的值判断是否进行完整采 样 最终将振动结果通过 UART0 发送给上位机 至此整个过程结束 单片机进入下一 次循环 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 19 关闭看门狗 DMA0INT 1 DMA0完成工作 采样 完毕 NUM SAMPLES 256 少量局部采样 flag cy 1 采样完毕 进行FFT分析 得出最大 幅值large peak 系统时钟初始化 交叉开关端口配置初始化 串口初始化 ADC0初始化DMA0初始化 Timer3初始化 If flag cy 0 TR3 1 开启T3 溢出时启动ADC0采样 NUM SAMPLES 9600 完整采样 flag cy 0 Y N 调用judge shake函数 判断振动与否 shake yes 1 Y N Y If flag cy 0 发送振动信息 Y N 有无上位机召唤指令 发送当前信息 结束 N 图 4 1 程序流程图 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 20 4 2 单片机相关配置 4 2 1 端口配置 C8051F060 端口配置中有优先权交叉开关译码器 简称为 交叉开关 其作用是 按优先权顺序将端口 0 3 的引脚分配给器件上的数字外设 如 UART SMBus PCA 定时器等 为数字外设分配端口引脚的优先权顺序可参见 C8051F060 的数据手册 本设计中用到 UART 需在对应的端口 I O 交叉开关寄存器中进行设置方能使用 参见数据手册可知 设置 UART 对应引脚的寄存器位 UART0EN 位于寄存器 XBR0 第 3 位 即 XBR0 2 当 UART0EN 为 1 时 使能 UART0 的 TX0 连到 P0 0 RX0 连到 P0 1 端口配置程序段如下 Void PORT Init SFRPAGE CONFIG PAGE XBR0 0 x04 P0 0 和 P0 1 分配给 TX0 RX0 XBR1 0 x00 XBR2 0 x40 允许交叉开关 使能弱上拉 P0MDOUT 0 x01 TX0 P0 0 输出设置为推挽方式 其中 TX0 设置为推挽输出 这里每个端口引脚的输出方式都可被配置为漏极开路 或推挽方式 在推挽方式 向端口数据寄存器中的相应位写逻辑 0 将使端口引脚输 出低电平 写逻辑 1 将使端口引脚输出高电平 在漏极开路方式 向端口数据寄存 器中的相应位写逻辑 0 将使端口引脚输出低电平 写逻辑 1 将使端口引脚处于 高阻状态 可以理解为推挽输出可以输出高 低电平 漏极开路输出需接上拉电阻才 能输出高电平 UART0 的初始化程序如下 Void UART0 Init SCON0 0 x50 串口方式一 REN0 1 允许接收 SSTA0 0 x00 使能波特率 2 功能 定时器 1 产生 UART0 波特率 波特率 1 32 定时器 1 溢出率 SFRPAGE TIMER01 PAGE SFR 分页 TMOD 0 x20 定时器 1 采用方式二 CKCON 0 x00 定时器 1 使用系统时钟 Time1 clock SYSCLK 12 基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计 21 TH1 0 xFA 波特率 9600 TL1 0 xFA 其中 UART0 的波特率有定时器 1 产生 波特率为 9600 相关寄存器设置说明请 参见 C8051F060 数据手册 4 2 2 ADC0 和 DMA0 ADC0 采样为 16 位数据采样 选择在单端工作方式 启动转换方式选择由定时器 3 定时 当定时器计数溢出时启动转换 ADC0 采样的转换周期设置为 1 SYSCLK 转 换频率为 time3 溢出的频率 ADC0 采样的 16 位数据 高八位存放在 ADC0 数据字 MSB 寄存器 ADC0H 中 低八位存放在 ADC0 数据字 LSB 寄存器 ADC0L 中 ADC0 的初始化程序为 Void ADC0 Init uchar old SFRPAGE SFRPAGE sint i SFRPAGE ADC0 PAGE ADC0CN 0 x44 ADC0 未使能 启动转换方式选择 TIMER3 定时 AD0INT 清零 REF0CN 0 x03 ADC0 内部电压基准缓冲器 for i 0 i 10000 i AMX0SL 0 x00 单端方式 ADC0CF SYSCLK 25000000 4 ADC0 SAR 转换周期为 1 SYSCLK ADC0CN 0 xC4 使能 ADC0 SFRPAGE old SFRPAGE DMA0 协同 ADC0 一起工作 DMA 初始设置中要设定 DMA 指令起始地址 放入 写地址寄存器 DMA0IPT DMA 指令 放入写数据寄存器 DMA0IDT 以及数据存 入 XRAM 的首地址 放入 DMA 数据地址起始寄存器 DMA0DA 及存入数据的个数