基于无线通信的输电杆塔振动识别单元毕业设计

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，影响工农业生产与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，杆塔振动分析与监测具有重要的研究价值和使用价值。本文研究的主要容：针对输电杆塔高耸入云的特殊结构与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与其对应的幅值，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。经仿真实验与实践分析表明，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AbstractWiththerapiddevelopmentofChina’spowerindustry,transmissionlinenetworkshowsthecharacteristicsofhavingmoretowerandlongercable.Transmissiontowersaremostlyincomplexnaturalenvironment,andhavingaspecialstructurehighintotheair.Oncethetransmissiontowersaredestroyed,itwillcausepoweroutages,andwillinfluenceindustrialandagriculturalproductionandpeople'snormallife,evenwillleadtoserioussecondarydisasterssuchasfire,resultinginirreparableeconomiclosses.Therefore,thetowervibrationanalysisandmonitoringhasimportantresearchvalueandusevalue.Themaincontentofthispaper:inviewofthespecialstructureofthetransmissiontowerhighintotheskyandthespecialexternalenvironmentaroundit,atransmissionlinetowervibrationstaterecognitionunitisdesigned.Specificmethods:vibrationsensorsareinstalledontransmissiontower,collectingthevibrationsignalswhentransmissiontowerishitbyobjectsfromoutside.Afterprocessedbyadjustingcircuit，signalsaresentintothemicrocontrollerforprocessing.ItwillgetthevibrationfrequencyandthecorrespondingamplitudesafterFouriertransform(FFT)ofthesampledVibrationdata,asvibrationcharacteristicparameterstodeterminethevibrationtransmissiontower.AtthesametimeusingtheZigBeewirelesscommunicationtechnology,themonitoringresultsinreal-timewillbesenttotheremotehost.Thesimulationexperimentsandpracticalanalysishaveshowedthatthetransmissiontowervibrationidentificationunithasthefeaturesofhighaccuracy,longdistancemonitoringandstronganti-interferenceability.Towervibrationidentificationunithasimportantresearchsignificanceandpracticalvalue.Keywords：Transmissionlinetower；FastFouriertransform(FFT)；ZigBee；Vibrationdetection目录1绪论11.1课题研究的意义11.2国外发展与现状11.3本文主要研究容22输电杆塔振动识别单元的整体设计方案32.1输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案32.1.1传感器42.1.2微处理器52.1.3无线通信52.1.4电源转换模块62.2软件设计方案82.3本章总结83输电杆塔振动识别单元的硬件实现103.1系统电源设计103.1.1IAS-2W系列DC-DC转换器113.1.2AS1117芯片电路连接图113.1.3MC1403电路连接图123.2振动信号调理电路设计123.2.1放大电路设计123.2.2滤波电路设计133.2.3限幅电路设计143.2.4加法电路设计153.3微处理器芯片外围电路设计163.3.1JTAG调试接口173.3.2晶体振荡电路173.4通讯模块的实现183.5本章总结184输电杆塔振动识别单元的软件实现204.1总体程序设计204.2单片机相关配置224.2.1端口配置224.2.2ADC0和DMA0234.3Modbus通信协议244.4快速傅里叶变换244.5本章总结275测试与分析285.1系统功耗测试285.2调理电路测试与分析285.3无线通信测试与分析306结束语32参考文献33致35附录A361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与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”检修与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，与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，使得巡线人员能够与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，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；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，星创源科技，得多电力技术，东信电力科技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本文主要研究容本文主要研究的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与振幅，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，软件设计以与系统测试与分析。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与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；以与处理后数据的传输——通信模块等。其连接示意图如图2.1所示。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与振幅，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，与通信模块。图2.2系统硬件设计结构框架2.1.1传感器系统采用朗斯公司LC01系列的装微型IC放大器的振动传感器LC0104，在传感器部，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。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。图2.3压电加速度传感器与外界电路原理图LC0104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恒定电流：2-20mA，典型值：4mA激励电压：18-30VDC，典型值：24VDC表2.1LC0104技术指标参数型号灵敏度mV/g量程g频率围（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SiliconLab的专利CIP-51微控制器核，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）；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与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。C8051F060MCU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一样。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；EndDevice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自动将所在围所有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，其中涉与到总输入电源转换，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、瓷电容，全SMT加工工艺，性能优良，稳定可靠。电磁兼容性良好，输出文波与噪声小，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。图2.4IAS-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。图2.5AS1117引脚排列图AS1117固定版本典型应用如图2.6所示。图2.6AS1117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。图2.7MC1403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，软件设计涉与到对信号的采样，采样数据的运算，与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RAM，两个UART串行接口，以与定时器可供使用，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。图2.8系统软件设计程序流程图从图中可知，软件设计部分也涉与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，以与信息通信部分。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与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。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。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与特殊的外部环境，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，其输入电压围3-35V，输出电压围1.2-30V，电流2A。其引脚图如图3.2所示。图3.2QS-1212CBD电源转换模块引脚图3.1.1IAS-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，输出电流。IA0505S-2W电源转换模块输入电压标称值5V，输出电压标称值，输出电流。如图3.3所示，给出了电源转换模块的连接电路图。图3.3电源转换模块电路连接图3.1.2AS1117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。图3.4AS1117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电源互不影响，都保持比较稳定的状态。3.1.3MC1403电路连接图图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：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节放大倍数。图3.7信号放大电路其放大的输出信号计算式为：(3.1)因此电路的放大倍数为。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。图3.8Multisim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：(3.2)其中为截止频率，此设计中，品质因数，当时电路稳定，，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。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与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围，主要是满足单片机采样引脚输入电压围为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。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3.12Multisim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指令集与核完全兼容，高速的流水线操作，是大部分指令能够在一个或两个周期完成，片集成了两个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的部硬件资源使用如下图3.16所示。图3.16C8051F060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，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。3.3.1JTAG调试接口图3.17所示为单片机JTAG调试外围接口电路，片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、单步与运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设可全功能运行。图3.17JTAG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/禁止和校准部振荡器。系统时钟可以由外部振荡器电路或部振荡器分频提供。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。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。图3.19ZigBee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。图3.20ZigBee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，以与通信模块的实现。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。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。图4.1程序流程图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：VoidPORT_Init(){SFRPAGE=CONFIG_PAGE；XBR0=0x04； //P0.0和P0.1分配给TX0RX0XBR1=0x00；XBR2=0x40； //允许交叉开关、使能弱上拉P0MDOUT=0x01； //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：VoidUART0_Init(){…… SCON0=0x50； //串口方式一，REN0=1允许接收 SSTA0=0x00； //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=0x20；//定时器1采用方式二 CKCON=0x00；//定时器1使用系统时钟Time1clock=SYSCLK/12 TH1=0xFA；//波特率=9600 TL1=0xFA；…….}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。4.2.2ADC0和DMA0ADC0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：VoidADC0_Init(){ucharold_SFRPAGE=SFRPAGE；sinti；SFRPAGE=ADC0_PAGE；ADC0CN=0x44；//ADC0未使能，启动转换方式选择//TIMER3定时，AD0INT清零REF0CN=0x03；//ADC0部电压基准缓冲器for(i=0;i<10000;i++)；AMX0SL=0x00；//单端方式ADC0CF=(SYSCLK/25000000)<<4；//ADC0SAR转换周期为1/SYSCLKADC0CN=0xC4；//使能ADC0SFRPAGE=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），以与数据存入XRAM的首地址（放入DMA数据地址起始寄存器DMA0DA），与存入数据的个数（放入循环计数器极限寄存器DMA0CT）。ADC0完成一个采样周期后，DMA0将根据指令将ADC0H存入XRAM首地址，然后指针指向下一个地址，然后将ADC0L中数据存入指针指定地址，然后指针再加1。当ADC0完成下一个采样周期，同理以此类推存入指定区域。当执行存数指令次数达到循环计数极限值，DMA指令不在存储数据，而是执行结束指令。至此，完成采样阶段，DMA0INT自动置1。以下为DMA0的初始化程序：VoidDMA0_Init(){charold_SFRPAGE=SFRPAGE； //保存SFR页SFRPAGE=DMA0_PAGE；DMA0CN=0x00； //不使能DMA0，DMA0DA=XRAM_START_ADD； //XRAM存储区首地址DMA0CT=NUM_SAMPLES； //循环计数极限值DMA0IPT=0x00； //(指令)初始写在位置0DMA0IDT=DMA0_GET_ADC0； //写DMA取ADC0数据的指令DMA0IDT=DMA0_END_OF_OP； //写DMA结束指令DMA0BND=0x00； //设置执行指令的初始位置DMA0CN=0xA0； //DMA0工作在方式一，开启DMA0SFRPAGE=old_SFRPAGE； //返回SFR页}4.3Modbus通信协议Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络可以和其它设备之间通信。当用Modbus协议通信时，此协议决定了每个控制器都要有设备地址，通信时，如果需要回应，控制器将生成对应信息并同样用Modbus协议发出。Modbus通信协议中控制器通常使用主—从技术，即只有主设备能初始化、传输与查询。其它从设备根据主设备查询提供的数据做出相应反应。本设计用标准的Modbus口，使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的对应针脚、信号位、传输波特率、奇偶校验。本文Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备地址（地址域）、功能代码（功能域）、要发送的数据（数据域）、校验（校验域）和结束字符（结束域）。从设备回应消息也由Modbus协议构成。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。Modbus协议发送数据格式如下：表4.1Modbus通信规定协议地址域功能域数据域校验域结束域4.4快速傅里叶变换傅立叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法。傅立叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。从现代数学的眼光来看，傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。在不同的研究领域，傅里叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。快速傅里叶变换FFT是离散傅立叶变换的一种快速算法，由于有限长序列在器频域也可离散化为有限长序列，因此离散傅里叶变换在数字信号中是非常有用的。但是若时间长了，DFT计算量太大，即使采用计算机技术也很难快速处理数据，因此快速傅立叶算法诞生了，快速傅里叶变换可以将一个时域信号变换到频域。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。FFT算法的基本思想是把原始的N点序列，一次地分解成一系列的短序列，然后求出这些短序列相对应的DFT并进行适当的组合，借以减少乘法计算的目的。因为DFT的复数乘法次数与复数加法次数都与N的平方成正比，所以N分得越小对减少运算量越有利。FFT算法中根据把长序列分解为短序列的分解方式不同，FFT算法基本上可以分为两大类：按频率抽取的FFT算法和按时间抽取的FFT算法。本文采用按时间抽取的FFT算法，算法的基本原理如下：设序列长度为,m=0,1,2,…,m为分解级数。把长度为N的序列x(n)分解成有个奇数的点和个偶数的点构成的子序列，是序列的N个点DFT用2个点的DFT进行计算。依次类推进一步分就为两个短序列，一直分解下去直到最后分解成2个点的DFT计算。由于每分解一次，就降低一次幂，所以总可以通过m级的分解，是的最后全部变换成一系列2个点DFT运算的组合，是运算达到高效率。通过以上分解，通过运算得到x(n)的N点DFT运算结果为：（4.1）其中A(k)、B(k)分别表示偶数序列a(r)与奇数序列b(r)的点DFT运算，从计算公式看出两个式子只差一个负号，所以可以说明，只要求出0~区间各个整数k值所对应的A(k)和B(k)，就可求出0~N-1区间的全部x(k)值。因此上式可推广，作为FFT算法的递推公式，这就是FFT节省大量计算量的关键原因。通过上述分析可知，长度为N的序列x(n)的离散傅立叶可以通过两个长度为的序列的DFT求出，并依此类推下去。N=8时，x(k)与A(k)、B(k)的关系如图4.2所示。图4.2x(k)与A(k)、B(k)的关系可以按照这种分解方法继续给以分解。8点时间抽取算法运算流图如图4.3所示。图4.38点FFT时间抽取算法运算流图根据以上的分析方法，我们能对信号数据进行频谱分析，经多次试验得到，在信号频率为200Hz处为最大幅值，我们依此为判断杆塔是否振动的判据，即当200处对应的幅值大于某一阀值，则说明杆塔发生振动，反之则否。FFT对信号进行频谱分析中，FFT变换后信号的频率与采样频率与采样个数有经验公式。如式（4.2）所示。（4.2）其中为信号频率，n表示数据重新排列后的次序，表示采样频率，N表示采样个数。此外，FFT变换中，数据按奇偶个数重新排列后，第n个数出，幅值计算公式如（4.3）所示（4.3）其中、分别表示第n个数的实部和虚部。通过公式（4.2）和（4.3）计算出200Hz频率处对应的幅值。我们根据以上原理设计出算法程序，其中包含三个函数，它们的作用分别为，取变换的样本数据、逐步按奇偶排列抽取数据、进行蝶型变换。经试验分析得出程序可行。4.5本章总结本章主要介绍了输电杆塔振动识别单元的软件设计实现情况，在这部分，详细分析了系统软件设计中程序流程图，并对该程序所用到的微处理器部的各个模块进行了详细的配置说明并在程序后解释了这样编程的依据。同时简单阐述了Modbus通信协议与快速傅里叶变换（FFT）的原理。在此基础上，分析得出了整个振动判断系统的判据，即信号特定频率处对应的最大幅值的大小作为振动的特征参数。依此判断振动与否。5测试与分析5.1系统功耗测试如图5.1所示为整个系统的硬件连接实物图。图5.1系统测试结果图中包括传感器，处理板，电源。当连接好电路后，用GWINSTEK的GPD-3303S电源供电，从电源面板可看出系统的整体功耗，如表5.1所示。系统的整体功耗为2.88W，满足任务要求。表5.1系统功耗电压电流功率9.003V0.32A2.88W5.2调理电路测试与分析我们对调理电路的各个组成部分单独进行了测试与分析，各部分均能完成功能。如图5.2所示为测试电路图。(a)放大电路输出波形与输入波形比较(b)滤波电路输出波形与输入波形比较(c)限幅分压电路输出波形与输入波形比较 (d)反相电路输出波形与输入波形比较图5.2调理电路各模块测试输出波形从图中可以得到各部分输出结果和仿真结果相差不大，硬件电路满足对信号处理的需求。以下为调理电路整体测试波形，当用木棍敲击传感器时，得到的调理后波形如图5.3所示。从图中可以看出，信号围在0~2.5V之间，为单片机可用的有效信号。图5.3调理电路输出信号5.3无线通信测试与分析在微处理器中下载测试程序，测试程序中上位机发送的指令与下位机返回值要一一对应，其对应如表5.2所示。表5.2上位机与下位机测试通信指令对应表上位机发送指令返回值01Shake_yes02、03、04…“0F”测试时设置通信双方的波特率均为9600，数据位为8，停止位为1。由串口调试助手作为上位机发送指令，如图5.4所示为上位机测试结果，当上位机发送指令02时，可以看到，上位机收到回应数据值0F；上位机发送指令01时，收到回应数据值为00（此时Shake_yes值为00）；说明二者已实现通信。图5.4通信测试时上位机显示结果在通信丢包率测试中，发送1000次数据，设置不同的“定时发送间距”，丢包次数不一样，如表5.3所示。由表可知，发送时间过短，会增加丢包率。因此在程序中设置合适的发送频率是很必要的。表5.3丢包率测试定时发送间隔发送次数接收次数丢包率50ms10009851.5%100ms10009990.1%200ms100010000在对通信距离的测试中，我们在空旷的地方和有障碍物阻挡的地方分别进行测试，测试结果为：空旷地测试，通信距离为1200m；有障碍测试，通信距离为150m。系统各部分通过测试，在此基础上进行系统联调。首先给处理器下载程序，连接硬件电路，仔细检查后，给系统上电。系统上位机在以下两种情况下接收到数据，一、上位机发送请求指