溝槽電纜檢測(cè)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)名稱： 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 溝槽電纜檢測(cè)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 實(shí)驗(yàn)室號(hào)： 實(shí)驗(yàn)組號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 批閱時(shí)間： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 1. 題目名稱溝槽電纜檢測(cè)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)2. 課設(shè)目的（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理說(shuō)明及方案論證；（2）完成硬件電路原理圖；（3）完成軟件程序流程圖；（4）部分程序。3. 課設(shè)內(nèi)容（1）研究電纜局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)基本原理；（2）研究局部放電超聲波信號(hào)的頻譜特性和衰減特征；（3）根據(jù)處理過(guò)的超聲波信號(hào)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、控制、顯示等電路；（4）以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)需求功能。4. 課

2、設(shè)方案4.1課設(shè)步驟：1）分析局部放電產(chǎn)生的原因，局部放電的原理； 2）根據(jù)局部放電在線檢測(cè)的要求，選擇了合適的超聲波傳感器、設(shè)計(jì)了前置放大、濾波、輸出放大、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制電路； 3)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，并顯示與分析結(jié)果。4.2課設(shè)方案分析：1）局部放電的原理：當(dāng)絕緣體中局部地區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域就發(fā)生放電。在實(shí)際的絕緣體系中，有的是由復(fù)合材料構(gòu)成的，在不同的材料中的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，而且擊穿場(chǎng)強(qiáng)也不同，這就可能在某種材料中首先出現(xiàn)局部放電。有的絕緣體系雖然是由單一的材料做成，但由于在制造中殘留，或在使用中絕緣老化而產(chǎn)生氣泡、裂縫或其它雜質(zhì)，在這些絕緣的缺陷中往

3、往會(huì)首先發(fā)生放電，其中最常發(fā)生的是氣泡的放電。產(chǎn)生局部放電的主要原因是電介質(zhì)不均勻時(shí)，絕緣體各區(qū)域承受的電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻，在某些區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)而發(fā)生放電，而其它區(qū)域仍然保持絕緣的特性。大型電力變壓器基本采用油一紙復(fù)合絕緣及油-屏障絕緣結(jié)構(gòu)，局部放電一般發(fā)生在絕緣薄弱或電場(chǎng)強(qiáng)度偏高的部位。2）放大器的選擇：放大電路的設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的問(wèn)題有兩個(gè)，一是在微弱信號(hào)放大時(shí)應(yīng)盡量減小放大電路的噪聲，不能讓噪聲將有用信號(hào)淹沒；二是要保證采樣電路能夠獲得足夠頻寬的信號(hào)，通常放大器帶寬要比有用信號(hào)的最高頻率大十倍以上。 3）AD的選擇方法： eq oac(,1)根據(jù)信號(hào)通道的總誤差和系統(tǒng)的要求，選取 A

4、/D 轉(zhuǎn)換器精度及分辨率。并不一定要分辨率越高越好，如果通道的總誤差大于 A/D 轉(zhuǎn)換器的量化誤差，那么選取高分辨率的 A/D 轉(zhuǎn)換器也是就失去意義了。 eq oac(,2)根據(jù)信號(hào)對(duì)象的變化率，確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，以確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，但同時(shí)不能一味的追求高的轉(zhuǎn)換速率，否則會(huì)增加系統(tǒng)的成本，而對(duì)系統(tǒng)的性能卻沒有大的改善。 eq oac(,3)另外轉(zhuǎn)換速率和分辨率要綜合起來(lái)進(jìn)行考慮，進(jìn)行相互的折中。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率很高的時(shí)候，比如 16 位分辨率，它的轉(zhuǎn)換速率一般都只有幾百 KHz，而且價(jià)格很貴。 eq oac(,4)根據(jù)環(huán)境條件選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的一些環(huán)境參數(shù)要求，

5、如工作溫度、功耗、可靠性等級(jí)等性能。 eq oac(,5)根據(jù)主控 CPU 接口特征，考慮如何選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)，例如，A/D轉(zhuǎn)換器是并行輸出還是串行輸出；是何種編碼格式：與 TTL、CMOS 及 ECL 電路的電氣兼容性等。4）傅里葉在信號(hào)分析的應(yīng)用：傅里葉變換是一種最常用最基本的分析方法。它是一種頻域分析法，能很好地刻畫信號(hào)的頻率特性，但不提供任何時(shí)域信息。這一缺陷導(dǎo)致在信號(hào)分析中長(zhǎng)期存在如下一對(duì)基本矛盾：即時(shí)域與頻域的局部化矛盾.在Fourier變換中，人們?nèi)粝氲玫叫盘?hào)的時(shí)域信息，就得不到頻域信息，反之亦然.Fourier變換的傳統(tǒng)信號(hào)處理方法只能分析.信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，無(wú)

6、法處理非平穩(wěn)信號(hào).Fourier分析，是一種純頻域分析方法，它用頻率從零到無(wú)窮大的各復(fù)正弦分量的疊加來(lái)擬合原函數(shù)f(t)在每個(gè)時(shí)刻的值，也即用Fw來(lái)分辯f(t)，那么，F(xiàn)w在有限頻域上的信息就不足以確定在任意小范圍內(nèi)的函數(shù)f(t)，特別是非平穩(wěn)信號(hào)在時(shí)間軸上的任何突變，其頻譜將散布在整個(gè)頻率軸上，F(xiàn)ourier分析非常適用于確定性的平穩(wěn)信號(hào)，在對(duì)非線性、非平穩(wěn)過(guò)程的處理上，F(xiàn)ourier分析顯然存在著一定的不足；另一方面，距平值變量是很多研究問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)，它既是從原變量z()中提取出來(lái)，又能夠在不改變?cè)兞课锢硖匦缘那疤嵯麓嬖兞?，而如何求出滿足這種條件的非線性、非平穩(wěn)過(guò)程數(shù)據(jù)的距平值變量，

7、也是資料分析中的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題5方案設(shè)計(jì)5.1 AD芯片的選擇：已知輸入信號(hào)的頻率在50KHz左右。如果使用單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D進(jìn)行采樣，最快的速度是180個(gè)時(shí)鐘，單片機(jī)的主頻是32MHz，所以最快的轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)的時(shí)間頻率是160KHz，勉強(qiáng)達(dá)到采樣的最基本要求。依據(jù)對(duì)方案的分析，綜合考慮以上各因素，以及本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選用了ANALOG 公司的 A/D轉(zhuǎn)換器 AD9225。圖1 AD9225本采集系統(tǒng)的最高采樣速率可以達(dá)到 20MHz，從性價(jià)比等多個(gè)方面綜合考慮采用了美國(guó) AD 公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD9225。AD9225 是 ADI 公司生產(chǎn)的高性能的單片、單電源供電、12 位精度、

8、最高采樣率為 40Msps 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源。AD9225 采用帶有誤差校正邏輯的四級(jí)差分流水結(jié)構(gòu)，以保證在 40Msps 采樣率下獲得精確的 12 位數(shù)據(jù)。除了最后一級(jí)，每一級(jí)都有一個(gè)低分辨率的閃速 A/D 與一個(gè)殘差放大器(MDAC)相連。此放大器用來(lái)放大重建 DAC 的輸出和下一級(jí)閃速 A/D 的輸入差，每一級(jí)的最后一位作為冗余位，以校驗(yàn)數(shù)字誤差。 圖2 AD9225結(jié)構(gòu)如圖5.2 AD9225 電源電路和去噪電路設(shè)計(jì):圖3 AD電源電路和去噪電路為盡量的去除數(shù)字電源和模擬電源的相互干擾，本芯片提供了分離的數(shù)字模擬電源，為了盡可能的減少電源不穩(wěn)定

9、帶來(lái)的誤差，本設(shè)計(jì)中分別加入了電源濾波電路，如圖 3 所示，同時(shí)為了降低參考電源的噪聲影響，在 CAPB 與 CAPT 之間設(shè)計(jì)了電容網(wǎng)絡(luò)5.3 數(shù)據(jù)的讀取:傳統(tǒng)的AD9225的存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)是外接ROM或者RAM進(jìn)行外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)“快采慢讀”的方式，通過(guò)溢出指示位OTR共13位與兩片628512相連。兩片存儲(chǔ)芯片組成并聯(lián)結(jié)構(gòu),由同一地址發(fā)生器產(chǎn)生地址,同一寫信號(hào)線控制寫操作。此方法對(duì)高速采樣系統(tǒng)的有點(diǎn)不言而喻，而對(duì)中低頻的采樣電路來(lái)說(shuō)，硬件電路的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且成本較高。對(duì)我們50KHz的采樣信號(hào)來(lái)說(shuō)，在滿足設(shè)計(jì)要求下，不需要如此高的采樣速度，所以考慮一個(gè)更適合的方案。經(jīng)綜合考慮，在滿足

10、電路設(shè)計(jì)要求的情況下，采用12路D觸發(fā)器對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，通過(guò)時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)AD輸出數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，單片機(jī)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只需要給一個(gè)讀取信號(hào)，就可以讀出AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。既單片機(jī)即使工作在最高速度（32MIPS）下，其單周期指令為 32ns，通過(guò)控制D觸發(fā)器來(lái)鎖存A/D芯片輸出的AD值，再由單片機(jī)將數(shù)據(jù)讀入，從給出讀取指令到將AD值存儲(chǔ)，大約需要40個(gè)時(shí)鐘，所以采樣頻率大約是800KHz，滿足了AD采樣的要求。此方法在保證采樣數(shù)據(jù)基本要求的情況下，不僅能有效的減少了硬件電路的設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，而且減少了成本的投入。接口電路框圖如下所示。DB0DB7DB8DB12CLKQ0 Q5D0D

11、5CLK邏輯控制電路Q6 Q11D6 D11CLKLEP1.4CLKDB0DB11AD922574F17474F174圖4 AD9225與74LS174接口圖AD9225每四個(gè)時(shí)鐘完成一次采樣與與數(shù)據(jù)輸出，所以要在四個(gè)時(shí)鐘的周期中數(shù)據(jù)鎖存器至少要有一個(gè)時(shí)鐘。如上圖所示，在四個(gè)時(shí)鐘周期中，鎖存時(shí)鐘LE有兩個(gè)上升沿時(shí)鐘，所以滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)需要讀取AD時(shí)，只需要將單片機(jī)的P1.4 I/O拉低，采用連續(xù)讀數(shù)的方法，將所需要的數(shù)據(jù)一次性全部讀入。由上的論證可知，在連續(xù)的讀數(shù)的方法下，可以忽略因單片機(jī)讀數(shù)產(chǎn)生的延時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的采樣沒有影響。CLKLE二分頻二分頻反相器與門oscP1.4CLKLE圖5 邏輯

12、控制電路與時(shí)序圖5.4 數(shù)據(jù)的處理：數(shù)據(jù)處理采用傅里葉變換，將獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻譜圖顯示在屏幕上，然而在實(shí)際中傅里葉變換并不適合計(jì)算機(jī)上使用。所以使用快速傅里葉變換（FFT）。FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這就是很多信號(hào)分析采用FFT變換的原因。另外，F(xiàn)FT可以將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常用的。雖然很多人都知道FFT是什么，可以用來(lái)做什么，怎么去做，但是卻不知道FFT之后的結(jié)果是什意思、如何決定要使用多少點(diǎn)來(lái)做FFT。現(xiàn)在圈圈就根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)說(shuō)FFT結(jié)果的具體物

13、理意義。一個(gè)模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)ADC采樣之后，就變成了數(shù)字信號(hào)。采樣定理告訴我們，采樣頻率要大于信號(hào)頻率的兩倍，這些我就不在此羅嗦了。采樣得到的數(shù)字信號(hào)，就可以做FFT變換了。N個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò)FFT之后，就可以得到N個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果。為了方便進(jìn)行FFT運(yùn)算，通常N取2的整數(shù)次方。5.5 原理圖：圖6 總原理圖圖7 PCB原理圖5.6 程序流程圖：是否開始系統(tǒng)初始化連續(xù)取32個(gè)AD值A(chǔ)DP1.4 = 0P1.4 = 1結(jié)束讀取并保存AD值是否取夠32個(gè)值進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換顯示轉(zhuǎn)換后的圖形圖8 主程序流程圖6. 課設(shè)程序#include STC15F2K60S2.H#include math.h#incl

14、ude 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轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)的數(shù)組Comple

15、x 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+) /連續(xù)讀入32個(gè)采樣值LE = 0;data1i = (P1&0 x0F)8)|P0;LE = 1;fftgo(); /進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換Deal_FFT(&frq1); /顯示轉(zhuǎn)換后的頻譜/*求兩個(gè)復(fù)

16、數(shù)的積*/ 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; /*進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換*/void fftgo(void) unsigned char xdata i,ii,j,k,kp,p,mm,Nz; Complex xdata WN,u,t

17、; 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=dat

18、a2k.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(0 xe2); transfer_command_lcd(0 x2c); t

19、ransfer_command_lcd(0 x2e); transfer_command_lcd(0 x2f); transfer_command_lcd(0 x23); transfer_command_lcd(0 x81); transfer_command_lcd(0 x28); transfer_command_lcd(0 xa2); transfer_command_lcd(0 xc8); transfer_command_lcd(0 xa0); transfer_command_lcd(0 x40); transfer_command_lcd(0 xaf); /*FFT顯示程序*/

20、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出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法（1）出現(xiàn)問(wèn)題：傳統(tǒng)AD不能滿足設(shè)計(jì)要求；解決方法：采樣了高速AD轉(zhuǎn)換芯片，并設(shè)計(jì)了一個(gè)符合設(shè)計(jì)要求，且低成本的采樣電路，同時(shí)通過(guò)軟件編程的方法，代替了一些硬件的部分。不僅降低了硬件電路較為復(fù)雜設(shè)計(jì)，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。（2）出現(xiàn)的問(wèn)題：傅里葉變換花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，影響系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)性；解決方法：進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換時(shí)使用快速傅里葉變換(FFT)，同時(shí)在保證精度的前提下，程序中減少浮點(diǎn)數(shù)的使用，用整形數(shù)替換，進(jìn)一步降低進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間，保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性。（3）出現(xiàn)的問(wèn)題：AD9225對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采樣是精度誤差較大解決方法：對(duì)AD9225的供電電源加上去耦合電路，提高電源的穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)電源也加上去耦合電路。同時(shí)為盡量的去除數(shù)字電源和模擬電源的相互干擾，分離的數(shù)字與模擬電源，為了盡可能的減少電源不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差。8.