[毕业设计精品论文]输电线路综合在线监测终端——基于arm的数据采集和传输系统的设计与实现

上海交通大学硕士学位论文摘要输电线路综合在线监测终端基于ARM的数据采集和传输系统的设计与实现摘要随着我国工农业生产的发展和人民生活水平的提高，作为国民经济基础之一的电力行业取得了迅猛的发展，电力系统输配电的安全性和可靠性也越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。输电线路的各种事故是影响电力线路安全运行的重要因素之一。本文正是在这一前提下，在参考国内外大量文献及研究成果的基础上，设计实现了一套输电线路综合在线监测系统。本文研制的输电线路在线监测终端通过测量线路的泄漏电流、分布电压、气候参数以及图像信息，并将数据进行采集、处理后，将数据发送到后台监控中心，达到对输电线路运行状况进行实时监测的目的，并以此为依据给出线路的评估信息提供给电力部门作为其安排检修的依据，可以大大减少电力部门的工作量并预防线路事故的发生。针对本系统功能丰富、监测参数众多的特点，作者设计了基于ARM的数据采集与传输系统。通过对ARM资源的合理分配，实现了监测终端的数据采集处理功能。终端的数据传输功能由ARM和无线传输模块配合完成，实现了GPRS和GSMSMS两种数据传输方式。本文是对输电线路综合在线监测终端数据采集与传输系统设计和研究工作的总结，本文内容主要偏重于监测终端硬件和软件的研究设计。论文在最后一部分对运行得到的数据也进行了分析、总结。本文研制的输电线路综合监测终端已在在几条高压输电线路上挂网运行，运行结果表明系统各方面性能良好，满足设计要求。关键词在线监测泄漏电流分布电压杆塔防盗SMS上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTINTEGRATEDONLINEMONITORINGTERMINALOFTRANSMISSIONLINETHEDESIGNANDREALIZATIONOFDATAACQUISITIONB串将一个小于100M欧的零值绝缘子放在不同位置，其它位置均为良好绝缘子，两串同时施加635KV电压（模拟110KV相电压），试验时相对湿度65，环境温度14度。分布电压传感器泄漏电流传感器上海交通大学硕士学位论文第三章系统工作原理及功能实现12图36分布电压测试对比试验FIGURE36CONTRASTTESTOFDISTRIBUTEDVOLTAGE测试结果如表31所示。表31分布电压对比实验结果A串电压测量值B串电压测量值A、B串不加零值绝缘子8939V8984VA串高压端第一片换零值绝缘子9748V8984VA串高压端第二片换零值绝缘子9656V8998V由试验结果可以看出，含有零值绝缘子的绝缘子串，其分布电压与正常绝缘子串分布电压有较大区别，通过监测分布电压可以判断绝缘子串是否存在零值绝缘子。33、微气候监测输电线路某些局部区域可能常发生大风、覆冰、大雪等灾害性天气可能导致输电线路发生到塔、导线舞动、冰闪等事故，实时监视该区域的温度、湿度、风速、风向等微气候状况有利于及时采取措施来防止事故的发生24。系统采用温度传感器、湿度传感器以及风速和风向传感器各1个，用于监测杆塔周围的微气候环境，辅助完成绝缘子污秽情况分析并监测相关区域的最大风速和风向。分布电压传感器分布电压传感器零值绝缘子上海交通大学硕士学位论文第三章系统工作原理及功能实现13331、风速风向的测量风速风向的测量采用的是WJ3B型风速风向传感器，该传感器可测量瞬时风速、2分钟平均风速和风向。它的主要技术指标如下起动风速10K上海交通大学硕士学位论文第三章系统工作原理及功能实现15敏感元件S118湿敏电容器工作温度2060存储环境4060非凝结外壳材料ABS工程塑料34、线路覆冰和舞动341、线路覆冰监测输电线路覆冰和积雪常会引起线路的跳闸、断线、倒杆、导线舞动、绝缘子闪络和通信中断等事故。世界上许多国家曾因输电线路覆冰引发完全，带来巨大的经济损失。我国是输电线路覆冰严重的国家之一，线路冰害事故发生的概率居世界前列。2008年1月，我国南方的冰雪灾害超出了气象部门的预测，再次线国民经济和社会生活带来了巨大的损失，受灾人口达1亿多，直接经济损失超过了1100亿元，电网的损害尤其严重25。对于绝缘子和线路覆冰监测的应用研究，目前有两种的方案一是设立覆冰观测站。通过在特殊区域设立观测点，由专人职守并记录气象信息及覆冰情况。但是这种情况下，设立站点一般较为偏远，生活艰苦，而且设立站点过少，人为因素过大，成本太高，无法推广。二是在线路上安装测力、测重、风速等传感器，人工定期采集数据。这种方法虽然可行性高，但是需要人工采集数据，不能及时反映覆冰情况。另外缺少拉力、重量与覆冰状况之间的对应关系，缺少直接判断依据，很难判断覆冰的冰厚、冰量、导线覆冰类型等情况，因而应用也受到限制2627。本系统采用温度和湿度等环境信息结合摄像头（摄像头实物见图310）监视的方法监测绝缘子和线路覆冰情况。在易发生覆冰线路附近杆塔的合适位置安装摄像头12个，监视绝缘子和线路覆冰情况。当温度和湿度等气候条件满足覆冰发生的基本条件时启动视频录像，每次采集和记录120S左右画面，通过GPRS网络传送至后台监控主站，并预警可能发生的覆冰。342、导线舞动监测输电线舞动是电力系统的安全运行的一个重大隐患。全国许多地区都曾发生上海交通大学硕士学位论文第三章系统工作原理及功能实现16过输电线路舞动现象，线路舞动造成导线对地、相对相间短路故障，并导致横担变形、螺栓松动脱落或剪切断，造成多起线路停电、继线和倒塔事故，给电网构成严重威胁28。导线舞动是低频高幅的自激振动。是指风对覆冰后形成的非圆截面导线产生的空气动力所引的一种低频约为01HZ3HZ、大振幅约为导线直径5倍500倍的导线自激振动。由于导线舞动的峰值最大可达到10多米，以至引起相间闪络，跳闸停电，线夹等金具损坏，导线断股断线甚至使杆塔倒塌，是输电线路的重大灾害之一。导线舞动主要受控三个因素导线覆冰、风激励、线路结构参数。其中覆冰条件又受微地形、微气候的影响。覆冰的形状受导线悬挂高度、导线几何排列位置、风对导线的切入角的影响，因些导线舞动常发生在冬季，舞动源常发生在山区或平原的风口地段，线路走径多为东西走向，与风向的交叉角多在45度90度，发生在线路运行张力较低的大跨越档距和较大档距中，常发生在双分裂或多分裂导线的结构29。在舞动的监测方面，国内外尚未有比较成熟的监测方法，更多的研究还是注重于舞动的防治方面。目前，可行的监测手段有两种一是气象资料监测，包括风速、风向、覆冰形状、覆冰厚度、气温、湿度等，通过这些条件综合判断线路是否舞动。然而这种方法不够直观，这些条件之间又不存在很确定的相关性，从而可靠性不能够很好的保证。二是舞动本身振动参数监测。这有两种方法，其一是在输电线上安装特定的张力传感器，通过输电线上张力的变化规律来判定输电线是否舞动，并估算出舞动的幅值和频率。缺点仍是方法不够直观，而且通过张力变化来确定舞动幅值和频率存在较大误差，不够精确。其二便是通过装设在某些特殊位置的摄像头定时拍摄录像，事后提供给研究人员分析、研究，这种方法虽然直观，但是并没有很好的起到监测、预警的作用。本系统采用温度、风速和风向等环境信息结合摄像头监视的方法监测线路舞动情况，可直观捕捉线路舞动现场画面。具体实现方法是在易发生舞动线路附近杆塔的合适位置安装摄像头12个（摄像头实物见图310），使相关线路在摄像头监控范围。当温度、风速和风向等气候条件满足舞动发生的基本条件时启动视频录像，每次采集和记录120S左右画面，通过GPRS网络传送至后台监控主站，并预警可能发生的舞动。上海交通大学硕士学位论文第三章系统工作原理及功能实现17图310摄像头实物图FIGURE310PICTUREOFINSTRUMENTFORCAMERA35、杆塔塔材防盗监测国内大部分农村及边远地区相继通电后，杆塔大多是在野外，缺乏专人看护，给一些不法分子可乘之机。很多地方发生了架空高压电线及户外电力变压器内的铜芯、接电极、接地引下线的圆钢、角钢等被盗事件且日趋频繁。高压电力线的频繁被盗，常常造成大面积停电等恶性事故，给电力部门和广大用户带来重大经济损失。因此本系统中也集成防盗报警这一实用功能。本终端采用智能三技术探测器进行防盗监测，可通过红外线或微波对杆塔底部人员活动进行监测，一旦发现杆塔下有物体活动，即发送报警信号给监测终端数据处理系统，由终端系统执行相应任务，对杆塔下区域进行拍照。防盗传感器的实物图如图311所示。图311防盗传感器实物图FIGURE311PICTUREOFSENSORFORANTITHEFT上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明18第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明41、硬件组成及工作原理主板GPRS模块CF卡存储器采集板ARM7SLAVE主控单片机（MASTER）实时钟（SLAVE）电源系统（太阳能电池板蓄电池）气候数据泄露电流报警GPRS报警SMBUS总线（SLAVE）泄露电流传感器脉冲电流传感器分布电压传感器摄像头防盗传感器图41系统硬件框图FIGURE41THEHARDWAREDIAGRAMOFTHESYSTEM数据采集终端基本配置原理框图如图41所示。由于本系统功能丰富，采集量众多，而且工作环境特殊，放置于野外高压杆塔上，因此对于硬件的设计采取了特殊的双处理器结构。如上图所示，系统的主控芯片是一片C8051F320单片机，他完成主要的控制功能并实现气候数据采集、GRPS报警、泄漏电流报警、防盗报警等功能。而主要的数据采集泄漏电流、分布电压采集和图像采集和通信工作由一款ARM完成，各部分模块采用CAN或I2C总线通讯，构成一个功能丰富的大平台。主控单片机与ARM7所构成的系统核心位于主板上面，GPRS通讯模块、采集板以及电池管理子模块电池包均通过接插件被固定在主板上，由实时钟为终端系上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明19统提供时间基准，各相关单元之间通过I2C总线连接。主控单片机接收来自温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器等气候传感器的数据，同时监视泄露电流报警、防盗报警和GPRS呼叫报警中断；采集部分采集板外挂接有泄露电流传感器、分布电压传感器、脉冲电流传感器以及监测舞动的摄像头模块；而电池包除与主板接插件连接外，在其另一端还连接有大容量聚合物锂离子蓄电池。42、电源系统由于监测终端要放置于杆塔上，处于无人监护状态，对于供电电源的设计提出了很高的要求，主要考虑以下几个方面一是整个电源系统本身必须高效率、低功耗，从而延长系统连续工作时间和电池使用寿命；二是具有较高的稳定性和可靠性，尽可能提高电源的性能指标；三是结合在线监测技术进行抗干扰和安全保护设计。目前在线监测技术的供电方式主要是采用太阳能和风能等，国内少数公司应用了导线取能方式。但是这三种取能方式产生的电源都是间断或是不稳定的，尤其是太阳能，当没有太阳时，是无法产生电源的。因此，为了保证设备的连续、稳定供电，必须有蓄电池或可充电电池的配合，即需要给监测系统设计一个小功率的UPS供电电源30。本终端电源系统针对野外现场的特殊环境，采用两块15W的太阳能电池板和两块容量为12000MAH的聚合物锂离子电池同时结合微控制电路组成一独立的能量系统，结构图如图42所示。在此系统中采用光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）方法，同时专门为蓄电池单元设计了蓄电池管理子模块，以及基于各子模块之上的管理策略，保证系统长期可靠运行和电源系统的优化设计。此外还考虑了野外高压恶劣环境下系统的抗干扰性设计。主控CPU电源系统控制与采集控制监测单元蓄电池组太阳能电池太阳光图42太阳能光伏电源系统结构图FIG42THECONFIGURATIONDIAGRAMOFPHOTOVOLTAICPOWERSYSTEM上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明2043、基于ARM的数据采集处理和传输控制器数据采集及处理控制器选用PHILIPS公司的LPC2292，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMISCPU的微控制器，并带有256K字节嵌入的高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，其原理如图43所示。由于LPC2292较小144脚封装、极低的功耗、集成2个32位定时器、8路10位ADC（转换时间低至244US）、2路CAN，2路UART（一路带有MODEM功能），I2C（最大400KHZ），SPI总线以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机31。图43LPC2系列ARM原理图FIGURE43SCHEMATICSOFLPC2SERIESARMARM7TDMIS是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机RISC原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器内核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明21并将第三条指令从存储器中取出。LPC2292集成了256K的FLASH存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现通过内置的串行JTAG接口，通过串口进行在系统编程（ISP）和UART0，或通过在应用编程（IAP）。使用在应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对FLAH进行擦除和/或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。44、无线数据传输单元设计在线监测系统中，数据传输系统是在线监测终端的一个重要组成部分，是与监控中心进行交互连接的桥梁，其直接影响到采集终端的调试、功能和通用性。本系统采用GSM/GPRS网络及其通信接口来实现野外输电线路的远距离数据传输。441、GSM数据通信GSM是GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS的缩写，意为全球移动通信系统，是世界上主要的蜂窝系统之一。GSM是基于窄带TDMA制式，允许在一个射频同时进行8组通话。GSM80年代兴起于欧洲，1991年投入使用。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准，到了2001年，在全世界的162个国家已经建设了400个GSM通信网络。但GSM系统的容量是有限的，在网络用户过载时，就不得不构建更多的网络设施。值得欣慰的是GSM在其他方面性能优异，它除了提供标准化的列表和信令系统外，还开放了一些比较智能的业务如国际漫游等。GSM手机的方便之处在于它提供了一个智能卡，人们称之为SIM卡，并且机卡可以分离，这样用户更换手机并且定制个人信息这方面都十分便利了。GSM手机还允许用户接收160字长度的短信息32。短消息服务业务SMSSHORTMESSAGESERVICE是GSM的一项重要业务，它可以通过GSM网络传输有限长度的数据信息。本课题所研制的输电线路综合在线监测系统可以借助GSM网络SMS进行现场数据和监控中心远程遥控命令等小数量的数据传输，从而实现输电线路设备状态的实时监测。SMS属于GSM的第一代数据业务，其内在的简单性也导致了不可避免的局限性。SMS的下一个升级版本是增上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明22强消息业务ENHANCEDMESSAGESERVICE,EMS。EMS的优势是除了可以像SMS那样发送文本短消息之外，还支持发送很长的信息，包括文本、简单音乐、普通黑白图以及某些动画，这些服务很大程度上以现在的SMS为基础。EMS在存储转发机制、停道及实现方式等方面与SMS一样，所以不需要升级当前的网络基础设施，只要扩展SMS即可。利用EMS可用来传输数据和静止或低速率活动的图像，可对输电线路现场进行图象监控。442、GPRS数据通信GPRS是通用分组无线业务GENERALPACKETRADIOSERVICE的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“25G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（PACKET）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。本课题所研制的输电线路综合在线监测系统将GPRS网络传输数据作为数据通信的主要方式。在GPRS网络稳定的情况下，利用GPRS网络根据系统配置定时传输存储器中存储的数据。GPRS采用分组交换，实时在线、覆盖面广，比照短消息的费率，GPRS的通信费用仅为短消息的几十分之一，可大大降低通信成本，增加传输数据量。GPRS传输速率理论上为170KBPS，目前上传速率一般为2030KBPS，下载速率可达6090KBPS33。443、无线通信模块本设计采用MOTOROLA公司的G18手机模块，这是一款工业级的手机模块，具有GSM和GPRS功能，适合嵌入式系统应用，采用28PIN接口，可以方便地与微处理器自带的MODEM接口进行数据交换，支持休眠唤醒功能，另外大量辅助的接口也为设计带来方便34。上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明23G18模块可以在3060V的电压范围可以工作，工作时以脉冲的形式传送数据，每46MS产生05MS的脉冲，峰值电流大约有15A，最坏的情况下在33VCC电压下最大电流可达22A，这么大的电流要求PCB的电源线尽量宽以减少线路损耗，另外在电源端需要一个1000UF（或更大）的电容来减小电压纹波。图44G18手机模块通过ON/OFF引脚控制开关操作时序FIGURE44TIMINGOFTURNINGON/OFFG18MODULEUSINGON/OFFPING18模块不会在有外电源的情况下自动开机，它的开机方式有两种，一种是使用ON/OFF引脚，另外一种是使用TS引脚，通过ON/OFF引脚还可以控制模块的关机，这也是厂家推荐的方式。这种方式会使SIM卡按正确的次序脱离网路；如果直接通过切断外电源关机，则可能造成SIM卡的损坏。ON/OFF引脚的每一次电平变化，都可能引起手机模块状态的改变，可以通过DSC_EN引脚的状态判断手机模块的开关机状态，如果DSC_EN为高电平，则模块为开机状态，DSC_EN为低电平则模块为关机状态。使用TS引脚可以打开G18模块，但是不能关闭它，TS变为高电平时（至少保持650MS），G18模块被打开，使用TS引脚控制的时候应当注意当TS为高电平时，模块不能进入待机状态。为了减少电流，在空闲时可以使G18模块进入休眠模式，通过发送ATS24NN1,2,3,4SECONDS使G18在没有数据传送时等待N秒后进入休眠模式，在这种模式下，MODEM接口被禁止，将电流减小到10MA以下。在休眠模式下主机要传送数据时，可以通过拉低WAKEUP引脚将模块唤醒，上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明24延时30MS后就可以传送数据了，当数据传输时，这个引脚要持续低电平。当G18模块需要通知主机有数据或进入GPRS覆盖区域时，模块也可以通过WAKEUP引脚通知主机。WAKEUP引脚是一个双向接口，其原理图如图45所示G18模块WAKEUPDTEWAKEUPG18VCCWAKEUPLINE微处理器图45G18手机模块双向唤醒接口示意图FIGURE45BIDIRECTIONALWAKEUPINTERFACEARCHITECTURE45、数据采集处理单元设计数据采集单元实现泄漏电流和分布电压采集，图像采集，报警信号采集和气候数据采集等功能，下面分别叙述。1泄漏电流和分布电压的采集由第3章分析可知，泄露电流是一个动态参数，在不同的条件下，其变化范围很大十几微安几百毫安，而且整体上幅值较小，普通的电流互感器难以对其有很好的响应，而且由于一般材料的互感器难以对高频和低频同时有很好的相应，且对于不同频段的信号，传递函数也是变化的35。这样一个传感器在设计、计算和调试上都存在很大困难。在本设计中通过直接将截流环获取的泄漏电流引入一个采样电阻的方式来产生一个可以适合的采样电压。这种方法实现方便，安装简单，只要电阻选择合适，就能获得适合采样的电压信号，线性度好，无磁化饱和现象，对任意频率的信号均有相应，这种设计简单可靠，大大降低了设备的复杂度和成本。但使用采样电阻也有一些弊端（1）有采样电阻取得的电压信号和原始电流信号时共地的，没有任何的隔离，不像电流互感器那样，原边和副边有一定隔离度；上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明25（2）电阻阻值随温度的变化导致精度降低。（3）泄露电流变化范围很大，在10UA100MA，这么大的动态范围，很难选择一个合适的采样电阻使通过它取得的电压在一个合适的范围36；对于（1），采用在后端信号调理电路中加入光耦隔离的方法，以防止信号中的干扰进入微处理器，干扰系统正常运行。对于（2），系统选取高稳定性高精度采样电阻，温度系数为5PPM。对于（3），采用两个采样电阻串联的方式解决泄露电流动态范围大的弊端，双采样电阻的原理图如图46所示。采用一个大阻值采样电阻A和一个小阻值采样电阻B串联，选择合适的电阻，可以在量程上和精度上同时满足要求。经过采样电阻后信号通过由运算放大器构成的缓冲输出级，在这一级也可以对信号做适当的放大。为了防止采样电阻上电压过高（例如泄露电流很大，即将发生闪络的时候），在运放的输入端加入了稳压二极管，当电压高于规定值时稳压二极管可以保护运放不受破坏。VREF是一个偏置电压，由于后端采用单电源运放，不能有负信号输入，所有这里要对正弦信号做一个电压抬升。由于需要同时测量泄漏电流中的工频分量和脉冲分量，所以当采样电压信号VOUT1或VOUT2通过模拟开关后，需要分别使信号通过一个高通滤波器和低通滤波器，分离出工频分量和脉冲分量。图46泄露电流两级采样电阻网络图示FIGURE46SCHEMATICSOFTWORESISTORSAMPLINGNETWORKOFLC滤波器电路结构采用SALLENKEY结构，如图47所示。上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明26图47SALLENKEY高低通滤波器原理图FIGURE47SCHEMATICSOFSALLENKEYHIGH/LOWPASSFILTER高通和低通滤波器电路的传递函数分别为1121121121212KCRCRCRSCCRRSKLPVVIO（41）112112222121221212KCRCRCRSCCRRSCCRRSKHPVVIO（42）转角频率212121CCRRFC（43）品质因数Q12112112121KCRCRCRCCRRLPQ（44）12112222121KCRCRCRCCRRHPQ（45）为了简化计算，减少器件类型，考虑到电容选值不如电阻那么方便，采用相同的电容，而令电阻成一定的比例，即R1MR2，R2R，C1C2C，故有MRCFC21，（46）MKMMLPQ21，（47）12KMMHPQ（48）上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明27根据要求的放大倍数、转角频率和品质因数，即可计算出电阻电容值。对于泄漏电流的脉冲分量，可以通过AD高频采样获得脉冲次数和幅值大小，但是，由于脉冲放电是随机的，为了捕捉每个脉冲，AD采样频率必须很高，但是实验室试验发现，放电脉冲不是非常密集的，显然，使用高频AD采样在大多数情况下AD都在做无用功，白白大大加重CPU的负荷。而且通常我们关心的只是比较大的脉冲幅值和放电次数，基于这种考虑，本设计采用峰值保持电路保持一段时间内的脉冲最大值，用一个比较低的AD采样，这样做既可以捕捉到较大脉冲的幅值和出现次数，又不会对CPU造成太大的负担。峰值保持电路的原理如图48所示。实际上，由于泄露电流的脉冲具有正负性，而且是不对称的，为了应用峰值保持电路，必须在前边加上一级全波整流电路。图48峰值保持电路原理图FIGURE48SCHEMATICOFMAXIMUMVALUEHOLDINGCIRCUIT低频分量和脉冲分量经过处理后，进入AD采样之前必须要进行隔离，这是由于设备运行在高压输电线路附近，电磁干扰非常大，而且还可能有雷击，放电现象的出现，严重威胁设备的安全。关于设备的隔离保护及抗干扰措施，对于模拟量和数字量，分别采用线性光耦和数字光耦隔离37。应用中，每一个绝缘子串需要采集泄露电流和分布电压，其中泄露电流又有低频和高频两个通路，分布电压只有低频通路。并且泄露电流的低频通路和分布电压的低频通路的在信号处理上是一样的，为了减少元器件数量，可以复用两个信号的低频处理通路，通过一个模拟开关来切换采集泄漏电流低频分量和分布电压低频分量。综上所述，信号调理电路的硬件结构示意图如图49所示。上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明28分布电压传感器双电阻采样网络泄漏电流传感器偏置放大偏置放大模拟多路开关低通滤波器高通滤波器隔离光耦隔离光耦低频分量高频分量峰值检测图49信号调理电路原理图FIGURE49SKETCHOFSIGNALPROCESSINGCIRCUIT为了数据分析和记录，需要同时采集一回线路的A、B、C三相，故每套设备至少应有三个测量，另外还有一些线路是双回线甚至三回线，为了设备的扩展性，设计了9路采集通道。将信号处理电路单独制板，采用32PIN接口与CPU主板相连，主板上预留9个接口。这样做的好处是调试方便，可以在脱离主板的情况下单独加信号测试信号调理电路的性能，如果某些电路板有损坏，也可以很方便地更换下来而不必动其他电路。在不需要那么多采集通路时，可以不插。这样，设备的可扩展性和可裁剪性大大增强。给用户极大的方便。以后，只要接口定义稍加变化，还可以添加新的外设。主板实物如图410所示。系统采样到的泄漏电流、分布电压等值数据量非常大而且这些值对分析来说作用不大，可以在前台直接处理，直接将需要的结果保存下来，并在适当的时候向后台发送。其中AD的采样精度和采样时间间隔需要根据实际需要确定。对于低频分量，根据需要采用傅立叶变换计算出基波分量、三次谐波分量、五次谐波分量的有效值，有效值最大值和采集时间内的有效值平均值，同时还需要计算出三次谐波和基波的比值38。图410模拟信号采集板与主板FIGURE410ANALOGSIGNALGATHERINGBOARDANDTHEMAINBOARD上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明29对于脉冲分量，常用的处理方法是分档计数法，即按放电严重程度的不同将脉冲分量按幅值大小分成若干档，实现分级报警。本设计中将脉冲分为5档，即1MA2MA，2MA5MA，5MA10MA，10MA20MA，20MA，在后台处理的时候可以按照这五个档位进行不同级别的报警，例如脉冲电流的幅值在5MA10MA的次数达到规定报警数值时，后台显示“脉冲电流三级报警”,工作人员也可以很方便的知道。2图像的采集图像的采集由单独的摄像头采集板完成。摄像头采集板由ARM7LPC2292和ST公司的一款视频芯片组成核心系统，ARM通过I2C总线控制视频芯片，视频芯片在拍摄到照片后，将图片压缩成JPEG格式，暂存在采集板上的一块NANDFLASH上，然后传输到主板的采集芯片ARM上，由ARM存入CF卡存储器中。主板ARM和摄像头接口示意如图411所示。数据采集和处理控制器负责控制前端摄像头，并从摄像头处获得图像数据。由于图像采集主要拍摄绝缘子和附近的线路（用于检测覆冰和线路舞动）和杆塔下边人的活动（用于防盗），数据传输距离需要大于30M，而图像的数据量大，现场环境恶劣，电磁干扰强，因此考虑用CAN总线的方式传输数据。摄像头端的ARM和数据采集和处理模块用到的ARM都具有CAN总线接口，这为设计带来的很大的方便，只需要外加一个收发驱动器即可使用。CANINTERFACECANDRIVER主板ARMCANDRIVERCANINTERFACE摄像头ARM图411主板ARM和摄像头接口示意图FIGURE411THEINTERFACEOFMAINBOARDANDCAMERABOARD3报警信号的采集报警信号包括2种，一种是绝缘子闪络报警，第二种是杆塔盗窃报警。下边分别说明这二种报警的硬件实现。绝缘子污闪是泄漏电流增大到一定程度，电弧直接短接绝缘子的表面形成的大电流放电。这时，在采样电阻上肯定会出现很高的电压，将这一电压与预先设定的基准电压比较，将输出信号作为报警信号触发中断通知微处理器即可。闪络报警中断流程如图412所示上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明30中断记录闪络报警信息开启传输模块发报警短消息报警信息打包为短消息格式返回主程序关闭传输模块或返回待机状态图412闪络报警中断流程FIGURE412THEINTERRUPTEDPROCESSOFFLASHOVERALARM塔材防盗模块整体分为三部分前端传感器部分，单片机处理部分和报警部分。其中前段传感器部分由三芯航空插头引出电源线，地线和报警信号线接至主控单片机。当防盗模块感应杆塔下有人或物在活动时，发出中断报警信号，由主板单片机启动ARM拍摄照片并上传至后台，并通过短消息通知相关人员盗窃的地点和时间。防盗模块的原理框图413所示。防盗传感器信号处理报警电路中央处理器MCU图413杆塔防盗模块框图FIGURE413SKETCHMAPOFANTITHEFTOFTRANSMISSIONTOWER4微气候环境变量的采集本系统微气候环境变量要采集参数包括温度、湿度、风速、风向四个环境参数。微气候参数是绝缘子污秽、线路覆冰和线路舞动的重要辅助判剧，微气候参数的精确测量对于在线监测有着重要的意义。为了设计方便，温湿度均采用电子式传感器，其中温度传感器采用AD公司的TMP36温度芯片，它是一种低电压，高精度温度传感器，输出电压与摄氏温度上海交通大学硕士学位论文第四章监测终端数据采集和传输系统硬件设计说明31成正比。湿度传感器采用HUMIRAL公司的HM1500，它使用5V直流电源供电，在全湿度范围内具有线性输出电压，可以很方便的与微处理器接口,该传感器受温度影响很小，在10RH95RH范围内具有3RH的典型精度,即VOUT2568RH1079。对于温湿度的采集，由于温、湿度传感器的输出均为直流电压输出，通过电阻分压可以很方便的得到输出信号。风速风向的测试采用专门的气象仪器，风速的测量部分的原理是一个靠风力推动的单相发电机，其频率和电压幅值与风速有关，风速越大，电压幅值和频率越高。通过测量频率来测量风速，测量频率的方法是将正弦信号转换为0VCC的方波。将信号通过一个比较器来截取正半周信号，低于阈值的信号变为0V，超过阈值的信号变为3V。方波信号进入计数器，以上升沿或下降沿为触发统计单位时间内的脉冲个数。按照频风速曲线计算实际的风速。一般的微处理器内部没有集成外部脉冲计数器，所以需要外加一片硬件计数器。5数据存储由于本装置功能丰富，各类数据比较多。为使后台处理方便，前端数据文件定义为5类，一是泄露电流数据文件，二是分布电压数据文件，三是报警文件，四是微气候文件文件，五是图片文件。采用COMPACTFLASHCARD做数据存储器，在程序中采用FAT文件格式，CF卡容量较大，且性能稳定，比较适合用作大容量的数据存储。上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计32第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计51、系统软件总体架构与主要功能根据前边几章对输电线路监测终端系统功能的分析和要求，整个监测终端主要实现以下功能1对太阳能电源、锂电池充放电管理每个锂电池配合一个电池管理系统，实现电池电压、电流和容量的计算，并进行充、放电管理和过流、过压、过热保护。这部分任务由一个通用的C8051微处理器配合外围电路完成，构成一个相对独立的电池管理系统。系统使用多块2锂电池，即有多个独立的单片机分别对每块电池进行测量和控制，这些单片机之间通过I2C总线36与一个主单片机通讯，报告各个电池的状态，由主单片机进行判断。并命令各个电池控制单元执行相应的充、放电动作。2定时采集微气候参数微气候数据包括环境温度、湿度和风向、风速。3采集绝缘子表面泄漏电流和分布电压，并在闪络时能够及时报警泄漏电流和分布电压的采集可以根据脚本文件定义采取不同的采集方式I定时采集，根据后台设置值定时采集；II条件采集，在特殊环境条件满足时启动相关任务进行采集。4盗窃报警杆塔下有人活动时，判断出杆塔下是否有人在活动，如有则启动摄像头拍摄照片。报警，立即通过GPRS网络通知后台并发报警短消息给工作人员，同时启动摄像头拍摄杆塔底部的照片，以帮助确认是否真有盗窃事件发生。5摄像头拍照该功能用于线路舞动和覆冰监视，并作为防盗报警的辅助判据，在满足系统设定的条件时启动摄像头进行拍照。6数据存储终端系统以CF卡做为数据存储器，由系统采集芯片完成对CF卡的读、写、删除等操作。7GSM和GPRS上网传输数据上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计33根据系统脚本配置，通过定时或电话招唤的方式上传采集的各种数据。数据的传输方式有GPRS上网和SMS短消息传输两种电源管理和微气候以及闪络、防盗报警任务由主单片机完成。根据这些条件启动泄漏电流、分布电压和图像采集。泄漏电流、分布电压、图像数据采集、处理、存储和传输任务执行比较复杂，适合由ARM来完成。具体任务分工如下图51所示。本章主要讨论基于ARM的数据采集和传输系统设计和开发方法。分布电压采集任务泄漏电流采集任务图像采集报警处理数据存储数据传输温湿度，风向风速采集电源管理I2C通讯任务防盗传感器处理程序电源管理I2C通讯主单片机ARM单片机单片机电源管理I2C通讯单片机I2C通讯任务图像采集预存储ARM串口打印调试图51输电线路状态在线检测系统功能框图FIGURE51FUNCTIONBLOCKDIAGRAMOFONLINEMONITORINGSYSTEM52、泄漏电流、分布电压数据采集本设计采用多路传感器接口，可对最多9个绝缘子的泄漏电流和分布电压进行采集，采集板与主板用一个32PIN接口连接。下边分析一路通道的采样时间和产生的数据量。1、采样率分析一个通道低频采样率确定为16K（32点/工频周期），高频每工频周期采样100个点左右，1秒采样50个周期/秒100点5K，为了共用一个定时器，确定高频采样率为48K。这样，每次定时器中断采样一次高频通路，3次中断采样一次低频上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计34通路。TIMER1以48K的速率产生中断，每次中断处理时间最多为48001S2083S。每一次采样一次高频值，三次采样一次低频值。在这个过程中，需要考虑的时间是两次切换模拟开关、等待该通道数据稳定、等待AD采样时间，总共应该在2083S内完成。2、最多9个通道采样高、低频的情况TIMER1应该以4800943200HZ的速率产生中断，每次中断处理时间最多为432001S2315S。同样应该考虑的时间是两次切换模拟开关、等待该通道数据稳定、等待AD采样时间。TIMER1的中断产生的速率根据采样通道的多少进行动态分配，中断产生的速率48K采样通道数，每次中断处理时间介于2315S2083S之间，要按最坏的情况考虑。3、数据量分析AD是10位的，按毫伏计算，范围在03300。每次AD采样值要采用2个BYTES存储，1个通道情况下1秒钟产生的数据量为480021200212000BYTE（12K），9个通道1秒钟的数据量为120009108000BYTE（100K），数据量比较大。考虑到高频数据的处理比较简单，只需要比较最大值而已，如果在中断中采样后即处理的话，则1个通道1秒钟的数据量为120022400BYTE（24K），9个通道1秒钟的数据量为2400921600BYTE（21K），数据量大为减小。1、数据处理由于采样时间由后台设定，是一个变化的值，所以不可能开辟一个足够大的缓存来存放这些数据，而且外部SRAM也很有限。对于数据处理有两种方式可以考虑，I将采样数据写入CF卡，采样完成后再做处理由于市面上的CF卡容量很大至少32M，一般是128M或256M，价格不贵，足以满足采样时间内产生的数据量的要求。采用这种方法需要注意的，同样开辟一定大小的缓冲区，当缓冲区满时将数据一起写入CF卡。由于采样过程是连续的，所有要确保在将缓冲区内数据往CF卡写的时候，采样数据还能存放。这里采用上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计35双缓冲区结构，共开辟20K缓冲区，分成2个10K大小，数据先存放在第一个缓冲区，当第一个缓冲区满时，通知数据存储任务将数据写入CF卡，同时采样数据继续向第二个缓冲区内写（不用调整指针，因为两个缓冲区是连续的）。当第二个缓冲区满时，通知数据存储任务将数据写入CF卡，同时调整缓冲区指针，重新指向缓冲区头部。当采样结束时，将CF卡中的数据统一处理。这种方法使用的条件是写文件的速度超过数据产生的速度。本系统对CF卡的读写速率至少为100KBYTE/S，远大于最大数据产生速率21KBYTE/S。II边采样边处理采样满一定周期数即开始处理，计算每个周波的有效值和最大值，将这些值保存于SRAM中。这种方式的好处是不用对外设进行操作，所有采样数据直接在SRAM中操作，速度快，抗干扰能力强。缺点是在缓冲区临界时指针处理比较复杂，尤其是对通道可变的情况，编程时需要十分小心。本设计采用这种方法。BUFFER1BUFFER2数据存储程序采样任务CF卡存储器定时器1ISR主程序图52双缓冲区采样程序流程图FIGURE52FLOWCHARTOFDOUBLEBUFFERSAMPLING电流/电压采样任务被建立后，会读取脚本中对采样通道和时间的配置，然后根据采样通道确定定时器1的中断速率，即AD采样率。之后开启定时器1，开始采样。定时器1中断中主要负责启动AD采样对应的通路，并将低频采样结果写入缓存，高频采样结果由于处理简单，直接在中断中按档位分类。当采样数据达到一定长度时，以邮箱方式通知电流/电压采样任务，这时电流/电压采样任务调用数据处理函数，计算出基波，3次5次谐波的最大值和有效值等，放入另一个缓存，当采样结束后，将缓存中的数据按规定格式写入CF卡。由于电流和电压在信号处理时共用部分硬件电路，所以需要设置互斥信号量以避免硬件资源的争用导致错误。上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计36NULL对低频信号的处理由于电网中通常含有一些谐波，泄露电流和分布电压信号都不是标准的正弦信号，在处理的时候大多采用傅立叶变换238。傅立叶算法的基本思路来自傅立叶级数，即一个周期函数可以分解为直流分量、基波及各次谐波的无穷级数，如011SINCOSNNNTNATNBTI（51）式中1表示基波角频率；NA和NB分别表示各次谐波的正弦项和余弦项的幅值，其中比较特殊的有0B表示直流分量，1A、1B表示基波分量正、余弦项的幅值。根据傅立叶级数的原理，可以求出NA、NB分别为TNDTTNTITA01SIN2（52）TNDTTNTITB01COS2（53）于是，N次谐波电流分量可表示为SINCOS11TNATNBTINNN（54）据此可求出N次谐波电流分量的有效值为222NNNBAI（55）其中NA、NB可用梯形积分法近似求出为112SIN21NKNNKNKINA（56）2COS20111NXNKNKIINBNKN（57）上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计37判断要采样的通道进入TIMER1中断TIMER1按实际采样的通道书产生相应的中断，中断频率为48K通道数切换AD通道高频采样并按幅值分类计数采样并写数据到缓冲区，并根据缓冲区情况发送通知件低频采样计数器1低频通道需要要采样YESNO退出中断切换AD通道进入中断按次序取出相应通道的采样值放入每周波缓存计算最大值和一个周期有效值计算每秒各通道有效值平均值和最大值1S钟缓冲区满申请互斥信号量变量初始化从脚本读取采样通道，采样时间按采样通道数配置TIMER1采样率启动TIMER1采样时间到收到缓冲区数据达到指定长度的消息处理数据关闭TIMER1数据后期处理通过串口输出结果将文件保存到CF卡启动数据传输任务需要上传数据释放互斥信号亮清除任务标志位任务标志位置位延时NOYESNOYESNOYESYES电流电压采样任务由I2C任务建立主程序数据处理函数TIMER1中断图53泄露电流分布电压任务流程FIGURE53FLOWCHARTOFTASKLCANDDV程序中采用式（56）和式（57）近似求出1，3，5次谐波的NA和NB，为了减少程序计算SIN和COS的复杂性，软件实现将用到的32个SIN和COS做成表格，使用的时候只用查询即可，大大加快了软件的运算速度。NULL对高频信号的处理上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计38由前几章的分析可知，对于高频信号，我们只关心一定时间内出现的一定脉冲幅值的个数，处理相对简单。在这里采用的处理方法是分档计数法，即按放电严重程度的不同将脉冲分量按幅值大小分成若干档，实现分级报警。本设计中将脉冲分为5档，即1MA2MA，2MA5MA，5MA10MA，10MA20MA，20MA，在AD采样后，即与这5个档位值比较，实现分类计数。后台按照这五个档位进行不同级别的报警。53、I2C通讯I2C通讯部分是整个系统的核心，在I2C总线上共有如下设备主单片机，电池板单片机（14个不等），ARM，实时时钟。其中主单片机定义为主设备，所有I2C通讯都由它发起。在该系统中，如果主单片机可以比喻为“大脑”，那么I2C总线可以比喻为“中枢神经”。它是个单片机信息交互的桥梁。主单片机对ARM的通讯主要完成任务通知，状态查询，时间、脚本传递功能。单片机不断判断外部环境条件和时间，当外部环境条件满足某任务启动条件或强制定时采集时间到时，就给ARM上电，通过I2C总线发送相应的任务运行指令，在任务执行期间单片机不断查询ARM状态，当发现错误时就重新启动ARM，当任务完成时就关闭ARM电源以节电。ARM通过GPRS网络与后台联络后，将获取新脚本和新时间信息，这时，单片机需要发送召唤帧获取时间和脚本以更新任务启动策略。整个软件流程图如下上海交通大学硕士学位论文第五章监测终端数据采集与传输系统软件设计39检测到某任务启动条件满足打开ARM电源初始化回复状态发送时间、温度、湿度、风力风向数据发送任务启动信息接收数据，写入缓存建立相应任务并执行查询状态回复正