盧 武

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266510）

基于高壓電網(wǎng)在監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

盧 武

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266510）

本系統(tǒng)采用小波變換方法分析周界報(bào)警信號(hào)，通過單片機(jī)對多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的主從形式，應(yīng)用高速16位新型單片機(jī)作為下位機(jī)，對模擬電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過RS-485總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)，方便、快捷、先進(jìn)的開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)。

光纖傳感器；小波分析；dsPIC33F單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

為了防止風(fēng)雨對光纖傳感器產(chǎn)生的誤報(bào)警的干擾，本論文采用小波變換的方法在有效濾除噪聲的同時(shí)，并不損壞信號(hào)中的突變部分，能很好的區(qū)分開蓄意入侵信號(hào)和風(fēng)雨所引起的振動(dòng)，大大減小了誤報(bào)率，還可以對入侵信號(hào)定位，在技術(shù)上有了新的提高。使周界高壓電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以在監(jiān)獄的電網(wǎng)報(bào)警中更加準(zhǔn)確，運(yùn)行更加可靠。為了能夠?qū)⒉杉降母邏弘娋W(wǎng)的電壓、電流的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，迅速的對報(bào)警做出相應(yīng)的動(dòng)作，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，針對周界報(bào)警系統(tǒng)輸出信號(hào)的問題，以數(shù)字信號(hào)處理器dsPIC33F系列器件作為它的控制核心，通過圖形監(jiān)控界面能及時(shí)顯示報(bào)警位置和報(bào)警類型，并對報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 硬件模塊框

該系統(tǒng)硬件主要有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、電源模塊以及上位機(jī)監(jiān)控等模塊組成。儀表采用Microchip公司的高速16位新型單片機(jī)dspic33fj128gp708，分別采集電壓、電流和溫度的信號(hào)，通過RS485將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。DsPIC33F系列用于高性能、高容量和高存儲(chǔ)的DSC產(chǎn)品。dsPIC33FJ128GP708微處理器采用了改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)，具有增強(qiáng)指令集，其中包含DSP的強(qiáng)大支持。

由于所處的環(huán)境比較惡劣，周圍環(huán)境對系統(tǒng)影響巨大，所以回顯系統(tǒng)必然會(huì)受到各種外界環(huán)境的干擾。這些干擾會(huì)直接影響到系統(tǒng)采樣的精度和回顯的可靠性工作，在采樣中，數(shù)字輸出代碼中有關(guān)輸入信號(hào)的有用信息就會(huì)減少。采用小波變換，由于尺度的不同，時(shí)間和頻率分辨率也不同，因而對入侵信號(hào)和風(fēng)雨引起的振動(dòng)信號(hào)將分解在不同的區(qū)域里。實(shí)驗(yàn)中，我們只需要對小波變換的離散值進(jìn)行分析，就可以判斷出在受到風(fēng)雨的干擾下是否有蓄意入侵。

小波變換在時(shí)域和頻域中具有很好的局部化性質(zhì)，對時(shí)域和頻域的分辨率較好的解決，準(zhǔn)確的定位時(shí)間軸上的頻率間斷位置，對離散小波中發(fā)生的蓄意入侵信息和所體現(xiàn)的時(shí)間都包括在細(xì)節(jié)系數(shù)中。微處理器以dsPIC33FJ128GP708單片機(jī)為核心，dsPIC33FJ128GP708單片機(jī)具有12位A/D轉(zhuǎn)換模塊。在周界高壓電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)采集在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用，因此我們將采用dsPIC33FJ128GP708單片機(jī)自帶的12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對所形成的三路電壓進(jìn)行采集，通過循環(huán)的方法，將采集到的4次數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，然后在緩沖器中對存放的數(shù)據(jù)求其平均值得出結(jié)果。以上實(shí)驗(yàn)可知，這種方法可以用在大量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有小波變換的分解和A/D轉(zhuǎn)換部分，實(shí)現(xiàn)各部分的功能。

2.1 小波變換的分解

當(dāng)前還沒有一定的理論標(biāo)準(zhǔn)用小波函數(shù)進(jìn)行信號(hào)的分析與處理。基于理論基礎(chǔ)，對周界報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分析，Daubechies系列小波簡稱db小波，db小波是正交小波，階消失矩，隨著階次增大，消失矩階數(shù)越大，頻帶劃分效果越好，用于周界報(bào)警的信號(hào)處理。由于階數(shù)過小，其消失矩階數(shù)小，劃分的頻帶比較粗糙，階數(shù)大時(shí)，頻帶劃分效果好，但增加了計(jì)算時(shí)間，所以選擇采用db8小波，來更好的體現(xiàn)小波基的正交性。

2.2 小波變換的分析結(jié)果

（1）db8小波函數(shù)對穩(wěn)態(tài)諧波信號(hào)和非穩(wěn)態(tài)諧波信號(hào)能夠快速有效的得到，并且直觀地反應(yīng)出他們突變前后的諧波次數(shù)、幅值變化的大小等諧波信息，因此在周界高壓電網(wǎng)中能夠及時(shí)的體現(xiàn)出來蓄意入侵信號(hào)。

（2）在周界報(bào)警信號(hào)中，，蓄意入侵信號(hào)和風(fēng)雨的振動(dòng)信號(hào)為了防止誤導(dǎo)，應(yīng)該不能被同時(shí)劃分在一個(gè)尺度下。由于小波變換分解在不同的區(qū)域具有不同的時(shí)頻分辨率，因此，只要對小波函數(shù)分解后的離散值進(jìn)行處理和分析，是否有蓄意入侵和受到風(fēng)雨的干擾就能精確的判斷出來。

（3）小波變換在時(shí)域和頻域有良好的局部化特性，能夠把頻率間斷位置準(zhǔn)確的定位在時(shí)間軸上。因而小波變化的離散分解中不但有蓄意入侵發(fā)生的過程信息，并且將發(fā)生的時(shí)間信息也體現(xiàn)出來了。通過微處理器，檢測到達(dá)探測器A和B頻率間斷點(diǎn)的時(shí)間差，準(zhǔn)確定位入侵信號(hào)所發(fā)生的位置。小波分析法能夠精確地檢測到信號(hào)發(fā)生突變時(shí)產(chǎn)生的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在工程應(yīng)用中具有顯著的作用。

（4）傅里葉變換是全局的變換，函數(shù)的各個(gè)點(diǎn)的值都對變換后的結(jié)果有影響。小波使用的是局部基，對某個(gè)基的系數(shù)來說，函數(shù)只有在這個(gè)基的支撐上的點(diǎn)才對該系數(shù)有影響。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換的過程：

為了能夠反映出實(shí)際的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對三路模擬電壓采樣，如圖3所示，首先對端口、定時(shí)器進(jìn)行初始化，RB4-RB6作為三路模擬電壓的輸入端口，開啟A/D轉(zhuǎn)換，每次采樣一路電壓就進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；把采樣來的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在緩沖區(qū)（ADC1BUF）中，保存完成后進(jìn)行下一路的采樣。分別對三路模擬電壓采樣4次（總共12次），然后將它們依次保存在ADC1BUF0-ADC1BUFB中，用來做下一步的處理，并產(chǎn)生一次中斷，根據(jù)所需的要求，通過計(jì)算每一路的平均值將其作為接近實(shí)際中的電壓值，求得結(jié)果，最后經(jīng)過LCD液晶屏把所得值顯示在上面。

圖3

3 結(jié)語

本系統(tǒng)采用小波變換方法分析周界報(bào)警信號(hào)，通過新型單片機(jī)對多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的主從形式，根據(jù)dsPIC33FJ128GP708單片機(jī)本身具有的數(shù)字信號(hào)處理能力，采用12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并且通過RS-485總線接收所得到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在周界中監(jiān)控系統(tǒng)，使整個(gè)過程更加的方便、快捷、可靠，運(yùn)行平臺(tái)更加的完美。

［1］張建國，曹銀杰.智能化電子圍欄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J].科技信息，2009（35）.