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[論文關(guān)鍵詞]鐵路電力遠(yuǎn)動終端干擾
[論文摘要]研究分析電磁干擾產(chǎn)生的原因、特點及干擾對電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的影響，從設(shè)計的角度對鐵路電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾分析研究。
抗干擾設(shè)計是電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)安全運行的一個重要組成部分，在研制綜合自動化系統(tǒng)的過程中，如果不充分考慮可靠性問題，在強(qiáng)電場干擾下，很容易出現(xiàn)差錯，使整個電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)無法正常運行或出錯誤（誤跳閘事故等），無法向站場和區(qū)間供電，影響鐵路行車安全。
一、電磁干擾產(chǎn)生的原因及特點
（一）傳導(dǎo)瞬變和高頻干擾
1．由于雷擊、斷路器操作和短路故障等引起的浪涌和高頻瞬變電壓或電流通過變（配）電所二次側(cè)進(jìn)入遠(yuǎn)動終端設(shè)備，對設(shè)備正常運行產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重還可損壞電路。2．由電磁繼電器的通斷引起的瞬變干擾，電壓幅值高，時間短、重復(fù)率高，相當(dāng)于一連串脈沖群。3．鐵路電力供電中，特別是現(xiàn)代高速鐵路對電力要求都比較高，一般都是幾路電源供電，母線投切轉(zhuǎn)換比較頻繁，振蕩波出現(xiàn)的次數(shù)較多。
（二）場的干擾
1．正常情況下的穩(wěn)態(tài)磁場和短路事故時的暫態(tài)磁場兩種，特別是短路事故時的磁場對顯示器等影響比較大。2．由于斷路器的操作或短路事故、雷擊等引起的脈沖磁場。3．變電所中的隔離開關(guān)和高壓柜手車在操作時產(chǎn)生的阻尼振蕩瞬變過程，也產(chǎn)生一定的磁場。4．無線通信、對講機(jī)等輻射電磁場對遠(yuǎn)動終端會產(chǎn)生一定的干擾，鐵路中繼站通常會和通信站在一處，通信發(fā)射塔對中繼站電力遠(yuǎn)動終端設(shè)備的干擾比較大。
（三）對通信線路的干擾
1．鐵路變電所遠(yuǎn)動終端的數(shù)據(jù)由串口通信經(jīng)雙絞線進(jìn)入車站通信站，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換成光信號沿鐵通專用通信光纜送至電力遠(yuǎn)動調(diào)度中心，遙信和遙控數(shù)據(jù)在變電所到通信站的過程走的是電信號，由于變電所高低壓進(jìn)出線纜很多，遠(yuǎn)動終端受的干擾比較大。2．中繼站一般距鐵路都比較近，列車通過時的振動對遠(yuǎn)動終端設(shè)備有一定的干擾。
（四）繼電器本身原因
繼電器本身可能由于某種原因一次性未合到位而產(chǎn)生干擾的振動信號，或負(fù)荷開關(guān)、斷路器、隔離開關(guān)等二次側(cè)產(chǎn)生振動信號。
二、干擾對電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的影響
無論交流電源供電還是直流供電，電源與干擾源之間耦合通道都相對較多，很容易影響到遠(yuǎn)動終端設(shè)備，包括要害的CPU；模擬量輸入受干擾，可能會造成采樣數(shù)據(jù)的錯誤，影響精度和計量的準(zhǔn)確性，還可能會引起微機(jī)保護(hù)誤動、損壞遠(yuǎn)動終端設(shè)備和微機(jī)保護(hù)部分元器件；開關(guān)量輸入、輸出通道受干擾，可能會導(dǎo)致微機(jī)和遠(yuǎn)動終端判斷錯誤，遠(yuǎn)動調(diào)試終端數(shù)據(jù)錯誤遠(yuǎn)動終端CPU受干擾會導(dǎo)致CPU工作不正常，無法正常工作，還可能會導(dǎo)致遠(yuǎn)動終端程序受到破壞。
三、抗干擾設(shè)計分析
（一）屏蔽措施
1．高壓設(shè)備與遠(yuǎn)動終端輸入、輸出采用有鎧裝（屏蔽層）的電纜，電纜鋼鎧兩端接地，這樣可以在很大程度上減小耦合感應(yīng)電壓。2．在選擇變電所和中繼站電力設(shè)備時盡量選設(shè)有專門屏蔽層的互感器，也有利于防止高頻干擾進(jìn)入遠(yuǎn)動終端設(shè)備內(nèi)部。3．在遠(yuǎn)動終端設(shè)備的輸入端子上對地接一耐高壓的小電容，可以有效抑制外部高頻干擾。
（二）系統(tǒng)接地設(shè)計
1．一次系統(tǒng)接地主要是為了防雷、中性點接地、保護(hù)設(shè)備，合適的接地系統(tǒng)可以有效的保障設(shè)備安全運行，對于斷路器柜接地處要增加接地扁鐵和接地極的數(shù)量，設(shè)備接地處增加增加接地網(wǎng)絡(luò)互接線，降低接地網(wǎng)中瞬變電位差，提高對二次設(shè)備的電磁兼容，減少對遠(yuǎn)動終端的干擾。2.二次系統(tǒng)接地分為安全接地和工作接地，安全接地主要是為了避免工作人員因設(shè)備絕緣損壞或絕緣降低時，遭受觸電危險和保證設(shè)備安全，將設(shè)備外殼接地，接地線采用多股銅軟線，導(dǎo)電性好、接地牢固可靠，安全接地網(wǎng)可以和一次設(shè)備的接地網(wǎng)相連；工作接地是為了給電子設(shè)備、微機(jī)控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置一個電位基準(zhǔn)，保證其可靠運行，防止地環(huán)流干擾。
3．由于高低壓柜本身都是多都是采用鍍鋅薄鋼板材料，本身也有屏蔽作用，將高低高柜都可靠接地。4．遠(yuǎn)動終端微機(jī)電源地和數(shù)字地不與機(jī)殼外殼相連，這樣可以減小電源線同機(jī)殼之間的分布電容，提高抗共模干擾的能力，可明顯提高電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性。
（三）采取良好的隔離措施
1．為避免遠(yuǎn)動終端自身電源干擾采取隔離變壓器，電源高頻噪聲主要是通過變壓器初、次級寄生電容耦合，隔離變壓器初級和次級之間由屏蔽層隔離，分布電容小，可提高抗共模干擾的能力。2．電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)量的輸入主要斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)的輔助觸點和電力調(diào)壓器分接頭位置等，開關(guān)量的輸出主要是對斷路器、負(fù)荷開關(guān)和電力調(diào)壓器分接頭的控制。3．信號電纜盡量避開電力電纜，在印刷遠(yuǎn)動終端的電路板布線時注意避免互感。4．采用光電耦合隔離，光電耦合器的輸入阻抗很小，而干擾源內(nèi)阻大，且輸入/輸出回路之間分布電容極小，絕緣電阻很大，因此回路一側(cè)的干擾很難通過光耦送到另一側(cè)去，能有效地防止干擾從過程通道進(jìn)入主CPU。
（四）濾波器的設(shè)計
1．采用低通濾波去高次諧波。2．采用雙端對稱輸入來抑制共模干擾，軟件采用離散的采集方式，并選用相應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù)。
（五）分散獨立功能塊供電，每個功能塊均設(shè)單獨的電壓過載保護(hù)，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng)破壞，也減少了公共阻抗的相互耦合及公共電源的耦合，大大提高供電的可靠性。
（六）數(shù)據(jù)采集抗干擾設(shè)計
1．在信息量采集時，取消專門的變送器屏柜，將變送器部分封裝在RTU內(nèi)，減少中間環(huán)節(jié)，這樣可以減少變送器部分輸出的弱電流電路的長度。2．遙信由于合閘一次不到位或由于二次側(cè)振動而產(chǎn)生的誤遙信干擾信號，并且還會產(chǎn)生尖脈沖信號，也可能對遙信回路產(chǎn)生干擾誤遙信號。
（七）過程通道抗干擾設(shè)計
（八）印刷電路板設(shè)計。在印刷電路板設(shè)計中盡量將數(shù)字電路地和模擬地電路地分開；電源輸入端跨接10～100μF的電解電容。
（九）控制狀態(tài)位的干擾設(shè)計
（十）程序運行失常的抗干擾設(shè)計
（十一）單片機(jī)軟件的抗干擾設(shè)計
（十二）對于終端至通信站的數(shù)字通信電纜加穿鋼管，特別是穿越其他電力電纜時，避免和其他電力電纜等同溝敷設(shè)并保持一定的交叉距離。
關(guān)鍵詞:電力工程;二次系統(tǒng);接地系統(tǒng);抗干擾
1引言
我國電力事業(yè)發(fā)展迅速,電力系統(tǒng)容量越來越大。隨著繼電保護(hù)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,系統(tǒng)中微機(jī)型繼電保護(hù)已應(yīng)用的極為廣泛。為了工作和安全的需要,電力系統(tǒng)及其電氣設(shè)備的某些部分與大地相連接,這就是接地。電力系統(tǒng)的接地是必須的,也是必要的。
本論文主要針對電力二次系統(tǒng)的接地方法展開探討分析,并對其中的抗干擾設(shè)計進(jìn)行研究,以期從中找到可靠有效的電力二次系統(tǒng)的接地設(shè)計與抗干擾設(shè)計方法,并以此和廣大同行分享。
2電力二次系統(tǒng)接地分析
2.1 常用的接地種類
接地的種類主要有以下凡種:
(1) 工作接地:工作接地是為系統(tǒng)正常工作而設(shè)置的接地。如為了降低電力設(shè)備的絕緣水平,在110kV及以上電力系統(tǒng)中采用中性點接地的運行方式,在兩線一地的雙極高壓直流輸電中也需將其中性點接地。
(2) 防雷接地:為了避免雷電的危害,避雷針、避雷線和避雷器等防雷設(shè)備都必須配以相應(yīng)的接地裝置以便將雷電流引入大地。
(3) 安全接地:為了保證人身的安全,將電氣設(shè)備外殼設(shè)置的接地。
2.2 電力二次系統(tǒng)接地方法
具體來說,二次系統(tǒng)的接地問題,也就是二次裝置和二次回路及二次電纜屏蔽層的接地,主要分為以下幾種情況:
(1) 保護(hù)系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的接地
繼電保護(hù)裝置的工作環(huán)境中干擾是嚴(yán)重的,這些干擾的特點是頻率高,幅度大,因而可以順利通過各種分布電容的耦合;另一方面這些干擾持續(xù)時間短。繼電保護(hù)的可靠性要求體現(xiàn)在兩個方面:不誤動和不拒動。
對于微機(jī)型保護(hù)裝置,由于其工作是在時鐘節(jié)拍的嚴(yán)格控制下高速同步進(jìn)行的,這些干擾一旦闖入,輕則引起動作延遲,重則導(dǎo)致程序中止或出錯,甚至元件損壞,所以抗干擾是微機(jī)保護(hù)的一個重要內(nèi)容,除了在軟硬件設(shè)計中進(jìn)行抗干擾外,降低干擾是最直接和最根本的抗干擾方法,而接地是降低干擾最有效的措施,所以微機(jī)保護(hù)的接地是極其重要的。保護(hù)系統(tǒng)的接地方式有三種:懸浮接地,單點接地和多點接地。
(2) 二次回路的接地
二次回路的接地主要是互感器回路的接地。電力系統(tǒng)中互感器主要作用是將大電流變成小電流或?qū)⒏唠妷鹤兂傻碗妷阂员阌跍y量,同時利用互感器將二次回路與一次高壓電路隔開,以保證二次回路、儀器和人身的安全。
(3) 二次電纜屏蔽層的接地
現(xiàn)階段,電力系統(tǒng)及測控領(lǐng)域所用的控制電纜和信號電纜均采用屏蔽電纜,其首要因素是屏蔽電纜具有良好的抗干擾性能,這對于廣泛應(yīng)用的微機(jī)系統(tǒng)和電子設(shè)備尤為重要。這些屏蔽線,有用于低頻設(shè)備的單芯、兩芯及多芯屏蔽線,雙絞屏蔽線和用于高頻設(shè)備的同軸電纜等。由于其使用環(huán)境、條件及信號的不同,因此在實施屏蔽時的接地方式也不同。
3電力二次系統(tǒng)抗干擾探討
3.1 電力二次系統(tǒng)的常見干擾源
干擾源大致可分為以下幾類:
(1) 電磁耦合干擾:電力系統(tǒng)一次設(shè)備和二次之間凡乎都是通過電磁耦合進(jìn)行工作的,同時,電場效應(yīng)和磁場效應(yīng)也無處不在,因此,一次設(shè)備本身的高壓電場可通過電容耦合到二次設(shè)備;大電流產(chǎn)生的磁場也可通過電感耦合到二次設(shè)備。
(2) 射頻干擾:由于天線效應(yīng),大型變壓器、大型發(fā)電機(jī)和電動機(jī)、高壓導(dǎo)線等都會發(fā)射出工頻和諧波頻率的電磁輻射。
(3) 雷電干擾:雷電流平均20kA,最高可達(dá)200kA,其發(fā)生時間處于μs級,雷電流對二次的影響主要是在二次電纜上的干擾。雷電流經(jīng)避雷器入地,使得地網(wǎng)上的電位分布極不均勻,另外引起地電位升高,將對屏蔽層接地的電纜上產(chǎn)生干擾。
(4) 操作引起的干擾:一次系統(tǒng)中的開關(guān)操作,斷路器、隔離開關(guān)的操作會引起電氣回路狀態(tài)變化,特別是隔離開關(guān)動作時,沒有滅弧裝置,產(chǎn)生多次電弧重燃引起的電磁能量振蕩。一般認(rèn)為開關(guān)操作是引起干擾和過電壓的重要原因。
其他的干擾源,如短路電流、二次回路操作、局部放電及電力二次系統(tǒng)內(nèi)部的電子元器件等等,都會產(chǎn)生干擾。
3.2 電力二次系統(tǒng)形成干擾的原因分析
電力系統(tǒng)的二次系統(tǒng)是由二次電纜和二次設(shè)備組成的。電力系統(tǒng)二次設(shè)備的種類和型號很多,所處的運行環(huán)境異常復(fù)雜。二次回路干擾形成的主要原因有下列凡種:
(1) 雷電流注入接地網(wǎng)所造成的干擾;
(2) 工頻短路電流注入接地網(wǎng)所造成的干擾;
(3) 一次、二次設(shè)備的操作引起的干擾。
(4) 強(qiáng)電場環(huán)境下,由于電磁場作用引起的干擾。
這些干擾可能對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響,輕則引起二次系統(tǒng)及設(shè)備的運行穩(wěn)定性,重則會導(dǎo)致保護(hù)誤動作,造成停電,甚至?xí)纬筛蟮氖鹿省?/p>
3.3 電力二次系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計
在設(shè)計電力二次系統(tǒng)時,在硬件上采用一些抗干擾措施,可以有效抑制干擾信號的侵入,提高裝置的抗干擾能力。主要措施如下:
(1) 隔離
為了抑制共模干擾,保護(hù)裝置中與外界連接的線路如模擬量、輸入輸出開關(guān)量、數(shù)字量和電源線等,經(jīng)由光電隔離或隔離變壓器隔離后再進(jìn)入裝置內(nèi)部。其中光電隔離主要通過光電耦合器將外部開關(guān)量信號及開關(guān)量輸出和內(nèi)部電氣回路進(jìn)行隔離,隔離變壓器主要通過專用變壓器將一、二次側(cè)的交流回路隔離。
(2) 屏蔽
屏蔽的實質(zhì)是通過具有良好導(dǎo)電性的金屬所構(gòu)成的全封閉殼體來隔離和衰減電磁干擾,如微機(jī)保護(hù)的殼體,將核心數(shù)字部件、A/D轉(zhuǎn)換器等器件裝在內(nèi)屏蔽殼體內(nèi)。常見的屏蔽方式有抑制寄生電容耦合干擾的電場屏蔽(如電壓、電流變換器一、二次側(cè)繞組之間隔離)和防止電磁耦合及感性耦合的磁場屏蔽等。
(3) 濾波、退耦與旁路
抑制橫模干擾的主要方法是采用濾波和退耦電路。交流信號輸入通道都有前置模擬低通濾波器,兼有抗干擾的作用。交直流信號輸入通道兩個端子間應(yīng)裝上0.01-0.047pF的退耦電容,為高頻橫模干擾信號提供旁路。從抗干擾角度考慮,RC濾波器比LC濾波器好,因為RC濾波器是耗散式濾波器,把噪聲能量變成熱能耗散掉了,而LC濾波器則會產(chǎn)生附加的磁場干擾,所以電感要加屏蔽罩。在電源系統(tǒng)中,對每個電路或每個組件都要采用退耦電路供電。
4結(jié)語
電力系統(tǒng)的二次回路數(shù)量多,系統(tǒng)復(fù)雜,所處的工作環(huán)境亦復(fù)雜多樣。系統(tǒng)的各種繼電保護(hù)裝置、動裝置和各種監(jiān)控系統(tǒng)隨著微機(jī)產(chǎn)品的大量應(yīng)用,對工作環(huán)境條件的要求也越來越嚴(yán)格,發(fā)電廠和變電站中的各種干擾是影響這些系統(tǒng)正常運行的主要因素。接地一方面是保證電力系統(tǒng)正常運行的必須條件,同時也是抗干擾的一項重要措施。在二次系統(tǒng)中,屏蔽電纜屏蔽層的接地、盤柜的接地、二次交流回路的接地、微機(jī)系統(tǒng)的接地等是非常重要而又復(fù)雜的工作,因此有必要對其做進(jìn)一步的總結(jié)和研究。
參考文獻(xiàn):
[1] 國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)典型故障分析[M].北京:中國電力出版社,2001.
關(guān)鍵詞：電力工程；二次系統(tǒng)；系統(tǒng)接地；抗干擾
1、引言
隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，變電站內(nèi)采用的弱電設(shè)備及系統(tǒng)越來越多，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制和繼電保護(hù)系統(tǒng)等。變電站中的二次系統(tǒng)處在一個強(qiáng)電磁環(huán)境中，工頻電流、電壓和系統(tǒng)短路故障、開關(guān)操作、雷電侵?jǐn)_、交直流混聯(lián)以及多種放電現(xiàn)象等的通過不同途徑引發(fā)的各種干擾，將不可避免地影響二次系統(tǒng)的正常工作。隨著變電站一次系統(tǒng)電壓的升高、容量的增大，電磁干擾更加嚴(yán)重如果不采取有效措施防御，容易造成繼電保護(hù)裝置的誤動或拒動，造成監(jiān)控系統(tǒng)的混亂、死機(jī)等現(xiàn)象，對電網(wǎng)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。
為此，本論文將主要針對電力工程中二次系統(tǒng)的接地及其抗干擾問題展開分析探討，以期從中找到合理有效的電力工程二次系統(tǒng)的接地抗干擾設(shè)計方法，并以此和廣大同行分享。
2、電力工程二次系統(tǒng)干擾來源及其危害分析
變電站綜合自動化系統(tǒng)運行中，電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障，變電站內(nèi)進(jìn)行一次系統(tǒng)的操作，變電站遭遇雷擊時的雷電流通過架空線路傳入變電站的母線，運行、檢修人員使用步話機(jī)，以及由于各種原因產(chǎn)生的靜電放電，現(xiàn)場使用一些不符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的試驗儀器和和電子設(shè)備，當(dāng)然也有微機(jī)型繼電保護(hù)裝置及二次回路自身原因形成的干擾等，都構(gòu)成影響繼電保護(hù)及安全自動裝置安全可靠工作的干擾源。
這些干擾不可避免地通過感應(yīng)、傳導(dǎo)和輻射等各種途徑引入到二次設(shè)備中，當(dāng)干擾水平超過了這些電子設(shè)備的耐受能力時，將導(dǎo)致這些設(shè)備不正確動作。更重要的是在系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，這些重要的設(shè)備將因干擾的影響發(fā)生不正確動作行為，直接影響到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，其后果將可能是十分嚴(yán)重的。因此，解決微機(jī)型監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)及安全自動裝置的抗干擾問題就成了一個不可回避和不容忽視的重要問題。
隨著綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，使變電站無人值守成為可能，并得到廣泛的應(yīng)用。這樣，綜自系統(tǒng)通訊的可靠性日益顯現(xiàn)出其重要性，干擾的引入會導(dǎo)致通訊系統(tǒng)工作不正常、信號誤報或整體通訊癱瘓，變電站失去相應(yīng)的監(jiān)控，極大影響變電站綜自系統(tǒng)的運行。
3、電力工程二次系統(tǒng)的接地及抗干擾分析
3.1 電力二次系統(tǒng)接地保護(hù)策略分析
1) 建立獨立的繼電保護(hù)二次接地系統(tǒng)，將完全獨立的繼電保護(hù)二次接地系統(tǒng)與變電站的接地網(wǎng)用絕緣瓷瓶完全隔離后，在近控制室或保護(hù)室一側(cè)與變電站主接地網(wǎng)一點連接，即開關(guān)場部分和保護(hù)室部分均與主地網(wǎng)絕緣。
2) 將開關(guān)場端子箱處沿電纜溝鋪設(shè)100平方毫米的銅排或是銅纜至保護(hù)室，并將安裝在保護(hù)室的二次接地系統(tǒng)(也是使用100平方毫米的銅排構(gòu)成)用絕緣瓷瓶完全隔離后，在近控制室或保護(hù)室一側(cè)與變電站接地網(wǎng)一點連接，即開關(guān)場部分不與主地網(wǎng)絕緣。
3) 將開關(guān)場端子箱處沿電纜溝鋪設(shè)100平方毫米的銅排或是銅纜至保護(hù)室，與保護(hù)室的二次接地系統(tǒng)(也是使用100平方毫米的銅排構(gòu)成)，在近控制室或保護(hù)室一側(cè)與變電站接地網(wǎng)一點連接，即開關(guān)場部分和保護(hù)室部分均不與主地網(wǎng)絕緣。
4) 所有的接地銅排要求不小于100平方毫米的銅排。
5) 在電流互感器和電壓互感器的引出接線端子盒到接線端子箱的連接電纜使用屏蔽電纜。
6) 隔離刀閘的控制電纜使用屏蔽電纜?；蚋綦x刀閘就地控制箱到端子箱的連接電纜使用屏蔽電纜。
7) 屏蔽電纜的屏蔽層接地工藝符合要求，不能造成電纜絕緣損壞，起不到抗干擾的作用。
8) 發(fā)電廠廠用系統(tǒng)的低廠變、饋線、電動機(jī)等保護(hù)柜內(nèi)的微機(jī)保護(hù)使用屏蔽電纜。
9) 對用于防止電壓互感器二次過電壓保護(hù)的放電間隙的定期檢定。
3.2 二次系統(tǒng)接地過程中的注意事項
系統(tǒng)的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：
l) 參照設(shè)備的接地注意事項；
2) 設(shè)備外殼用設(shè)備外殼地線和機(jī)柜外殼相連；
3) 機(jī)柜外殼用機(jī)柜外殼地線和系統(tǒng)外殼相連；
4) 對于系統(tǒng)，安全接地螺栓設(shè)在系統(tǒng)金屬外殼上，并有良好電連接；
5) 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜、設(shè)備過多時，將導(dǎo)致數(shù)字地線、模擬地線、功率地線和機(jī)柜外殼地線過多。對此，可以考慮鋪設(shè)兩條互相并行并和系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線，一條為信號地母線，一條為屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線；系統(tǒng)內(nèi)各信號地就近接到信號地母線上，系統(tǒng)內(nèi)各屏蔽地及機(jī)柜外殼地就近接到屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線上；兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線接到安全接地螺栓上；信號地母線接到信號地螺栓上；
6) 當(dāng)系統(tǒng)用三相電源供電時，由于各負(fù)載用電量和用電的不同時性，必然導(dǎo)致三相不平衡，造成三相電源中心點電位偏移，為此將電源零線接到安全接地螺栓上，迫使三相電源中心點電位保持零電位，從而防止三相電源中心點電位偏移所產(chǎn)生的干擾；
7) 接地極用鍍鋅鋼管，其外直徑不小于50mm，長度不小于2.0m；埋設(shè)時，將接地極打入地表層一定深度，并倒入鹽水，一般要求接地。
3.3 電力工程二次系統(tǒng)抗干擾接地對策
1) 屏蔽接地
各種信號源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路應(yīng)設(shè)置屏蔽罩。由于信號電路與屏蔽罩之間存在寄生電容，因此要將信號電路地線末端與屏蔽罩相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。
2) 設(shè)備接地
一臺設(shè)備要實現(xiàn)設(shè)計要求，往往含有多種電路，比如低電平的信號電路(如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等)、高電平的功率電路(如供電電路、繼電器電路等)。為了安裝電路板和其它元器件、為了抵抗外界電磁干擾而需要設(shè)備具有一定機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽效能的外殼。
設(shè)備的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：
① 50 Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處，對于獨立的設(shè)備，安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上，并有良好電連接；
② 為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，不許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線；
③ 為防止高電壓、對低電平電路大電流和強(qiáng)功率電路(如供電電路、繼電器電路)(如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等)的干擾，將它們的接地分開。前者為功率地(強(qiáng)電地)，后者為信號地(弱電地)，而信號地又分為數(shù)字地和模擬地，信號地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。
4 結(jié)語
電力系統(tǒng)的二次回路數(shù)量多，系統(tǒng)復(fù)雜，所處的工作環(huán)境亦復(fù)雜多樣。系統(tǒng)的各種繼電保護(hù)裝置、自動裝置和各種監(jiān)控系統(tǒng)隨著微機(jī)產(chǎn)品的大量應(yīng)用，對工作環(huán)境條件的要求也越來越嚴(yán)格，變電站中的各種干擾是影響這些系統(tǒng)正常運行的主要因素。接地一方面是保證電力系統(tǒng)正常運行的必須條件，同時也是抗干擾的一項重要措施。本論文對于電力工程二次系統(tǒng)的接地方法及其抗干擾措施都進(jìn)行了分析，具有一定的實用性，因而是值得推廣的。
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論文摘要：本文論述了激光探測系統(tǒng)信息接口技術(shù)；討論了激光探測接口的一般設(shè)計思想。
1 引言
激光具有波長單一和良好的方向性，所以和傳統(tǒng)的探測方法相比，激光探測具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點，在激光測距、激光雷達(dá)、激光告警、激光制導(dǎo)、目標(biāo)識別等軍事領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。針對不同武器系統(tǒng)的需求，激光探測系統(tǒng)接口呈現(xiàn)出多樣性。
近年來，隨著應(yīng)用需求和集成化度的增加，激光探測系內(nèi)部、激光探測系統(tǒng)和各武器平臺之間集成了不同廠商的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，由此帶來的異構(gòu)性給探測系統(tǒng)的互操作性、兼容性及平滑升級能力帶來了問題。
對激光探測系統(tǒng)而言，接口技術(shù)的設(shè)計是整個系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。一個激光探測系統(tǒng)的設(shè)計、實施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設(shè)計可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運行效率、升級能力等，本文以激光探測系統(tǒng)接口技術(shù)為研究對象，著重分析其接口技術(shù)類型、設(shè)計考慮因素和驗證方法。
2 激光探測系統(tǒng)幾種主要接口技術(shù)
接口是多要素或多系統(tǒng)之間的公共邊界部分，對激光探測系統(tǒng)的接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測系統(tǒng)接口類型可分為以下幾類：
1 TTL電平接口：最通用的接口類型，常用做系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間接口信號標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測系統(tǒng)中主要應(yīng)用是作為長距離的總線數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸
2 CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅(qū)動能力要弱一些。
3 ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達(dá)幾百兆，但相應(yīng)功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4 LVDS電平接口：在標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅(qū)動模式，信號的噪聲和EMI都較小。
5 GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對沿敏感的信號，如時鐘信號。
6 RS-232電平接口：為低速串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點對點接口通訊。
7 RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點接口通迅。RS485電平接口可驅(qū)動32個負(fù)載，忍受-7V到12V共模干擾。
9 光隔離接口：能實現(xiàn)電氣隔離，更高速率的器件價格較昂貴。
10 線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號帶寬有限
11 以太網(wǎng)：經(jīng)常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用激光探測系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的接口通訊和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)接口具有性價比高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、資源共享能力強(qiáng)和廣泛的技術(shù)支持等眾多優(yōu)點。
12 USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設(shè)備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過發(fā)送和接收數(shù)據(jù)對主機(jī)作出響應(yīng)，其最大的優(yōu)點是安裝配置簡單。
3 激光探測系統(tǒng)接口方案設(shè)計考慮因素
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢。在激光探測系統(tǒng)中，信息接口的設(shè)計逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多節(jié)點、高速等方向展
3.1 接口信號傳輸中的干擾噪聲
3.1.1 接口信號傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號通過感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入接口信道的干擾。串模干擾的產(chǎn)生原因主要是傳輸中插件等所產(chǎn)生的接觸電勢、熱電勢等噪聲引起的。
b) 共模干擾：干擾同時作用在兩根信號往返線上，而且幅指相同。共模干擾產(chǎn)生的原因，主要是傳輸線路較長，在發(fā)送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2 接口信號傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)進(jìn)入信道的干擾，接口傳輸線應(yīng)盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測系統(tǒng)一端浮地的結(jié)構(gòu)形式配合，不要將屏蔽線層當(dāng)作信號線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結(jié)構(gòu)是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口電路。
接口信號傳輸時還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問題。一般長線傳輸?shù)尿?qū)動器接收器都適用于驅(qū)動特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設(shè)法將兩者匹配，最好將發(fā)送端和接收端匹配。
控制信號線的具體配置：控制信號線要和強(qiáng)電、數(shù)據(jù)總線、地址總線分開，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術(shù)：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內(nèi)外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導(dǎo)性干擾的影響。
3.2 接口硬件的選擇原則：
3.2.1 為各類接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設(shè)計具體的接口電路。
3.2.3 選擇接口芯片時應(yīng)根據(jù)激光探測系統(tǒng)CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統(tǒng)所完成的功能并按照高效、經(jīng)濟(jì)、可靠，方便、簡單的原則來確定。
3.2.4 設(shè)計具體的接口電路應(yīng)具體考慮電源問題
3.2.5 數(shù)據(jù)／命令的鎖存和驅(qū)動
激光探測系統(tǒng)內(nèi)部及激光探測系統(tǒng)和其他系統(tǒng)間實施數(shù)據(jù)／命令傳輸時，一般采用數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)來適應(yīng)雙方讀寫的時間要求。
3.3 接口的實時性
由于激光探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶崟r性要求很高，設(shè)計時要使時鐘抖動、通道間時延、工作周期失真以及系統(tǒng)噪聲最小化，所以設(shè)計接口時盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設(shè)計原則
同步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計要充分考慮數(shù)據(jù)流量的控制，最好在數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時每隔一段時間插入一段空閑時間，從而保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
異步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計要充分考慮合理的數(shù)據(jù)校驗方式，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選擇冗余校驗、校驗和、冗余校驗的方法。
4 激光探測系統(tǒng)接口方案設(shè)計驗證
構(gòu)建高速有效的激光探測系統(tǒng)接口是非常有挑戰(zhàn)性的，并且設(shè)計者需要在設(shè)計接口前后就考慮多個因素，詳細(xì)的系統(tǒng)級的驗證都是必須的。
4.1 設(shè)計前的驗證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術(shù)是一種高效、低代價的系統(tǒng)驗證方法。接口設(shè)計軟件采用匯編，C，C++等語言編寫，用戶編寫的接口源程序經(jīng)過交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進(jìn)行軟件模擬。而接口硬件驗證則采用硬件描述語言如VHDL設(shè)計，經(jīng)過編譯后由硬件模擬器模擬。但設(shè)計前的驗證也有一定的局限性，比如只能驗證數(shù)字接口和驗證環(huán)境理想化等缺點。這些都需要設(shè)計后的驗證
4.2 設(shè)計后的驗證
最常見的驗證方法是制作模擬激光探測系統(tǒng)內(nèi)部接口和系統(tǒng)間外部接口的通用信號源，通用信號源可以模擬探測系統(tǒng)內(nèi)部的如主回波、時統(tǒng)、顯示、鍵盤等信號，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測系統(tǒng)狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)等信息顯示輸出。
4.3 通過驗證，發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設(shè)計。
【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);頻域抗干擾;快速離散傅里葉變換;窗函數(shù)
1.引言
本文首先介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航頻域抗干擾的基本原理以及重疊加窗DFT抗干擾算法的框架流程，然后將算法框架分解歸納為加窗處理、重疊處理、FFT/IFFT運算、門限估計、干擾零陷五個關(guān)鍵問題，進(jìn)行深入探討如何才能達(dá)到最佳的抗干擾效果，針對頻域抗干擾算法中前兩個問題，提出了采用Kaiser窗作為最優(yōu)化的加窗處理，以及重疊相加再加窗的重疊處理方案。對于頻域抗干擾中窗函數(shù)的選取，本文建立明確了唯一的評價標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為在頻譜抗干擾中采用Kaiser窗能夠?qū)崿F(xiàn)對干擾泄露的最佳抑制。對于重疊處理，本章分析比較了重疊選擇、重疊相加、重疊相加再反加窗三種處理方式的信噪比損耗，重疊相加再反加窗可以實現(xiàn)原始時域信號的準(zhǔn)確重構(gòu)，信噪比損耗可忽略不計，適合在抗干擾算法中使用。
2.頻域抗干擾基本原理
頻域抗干擾的基本原理，是導(dǎo)航信號與環(huán)境熱噪聲整體上呈現(xiàn)高斯白噪聲特性，頻譜十分平坦;而窄帶干擾信號能量經(jīng)過傅里葉變換后則集中在少部分頻點上，呈現(xiàn)出高而窄的脈沖形狀，只要通過合理的檢測手段估計出環(huán)境熱噪聲的頻譜包絡(luò)，即可區(qū)分出干擾譜線，然后采用合適的陷波算法將干擾濾除。圖1給出了GNSS導(dǎo)航信號在環(huán)境熱噪聲淹沒下，并混合有多個窄帶干擾的頻譜圖，頻域上很容易識別出干擾譜線來，干擾抑制方法簡單明了，處理迅速。
在實際的頻譜分析中，由于計算資源與存儲空間有限，需要對輸入信號分塊后再進(jìn)行DFT運算，但如果直接DFT，分塊數(shù)據(jù)周期拓展后的非連續(xù)性會產(chǎn)生嚴(yán)重的頻譜泄露現(xiàn)象，使得干擾能量在整個頻譜中擴(kuò)散，影響后續(xù)的干擾識別和干擾濾除。為了緩解頻譜泄露問題，通常先對輸入信號經(jīng)過時域加窗（非矩形窗）處理，再進(jìn)行DFT運算[1]。加窗處理在減輕頻譜泄露的同時，也帶來了分塊數(shù)據(jù)在邊緣處的畸變，這會對信噪比造成一定損耗。所以，頻譜干擾抑制技術(shù)中大都采用了重疊處理的方式，來彌補(bǔ)加窗帶來的信噪比損耗[2]。
圖1 含窄帶干擾混合信號的頻譜分析圖
重疊處理是指在分塊進(jìn)行加窗DFT的數(shù)據(jù)塊中，相鄰的數(shù)據(jù)塊之間有一部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊，在經(jīng)過頻譜分析、干擾抑制，又逆變換回時域后，通過重疊相加，或者舍棄兩頭保留中間（下文中稱為重疊選擇）的方法來去除重疊。這在實現(xiàn)上是采用有固定延遲區(qū)別的多路數(shù)據(jù)，分別干擾抑制處理后，再進(jìn)行重疊融合。
對于DFT運算的實現(xiàn)，實際應(yīng)用中都會采用快速算法FFT。在抗干擾算法中我們關(guān)心的是所選FFT/IFFT的長度，即分塊處理的塊長，這直接關(guān)系到頻譜分辨率，以及固定帶寬內(nèi)的干擾抑制能力。
在進(jìn)行了FFT運算之后，可以通過自適應(yīng)算法合理地估計出噪聲與干擾之間的門限，區(qū)分出干擾譜線，然后采用陷波算法將干擾濾除。對于頻譜門限的估計有眾多自適應(yīng)算法：N-sigma算法[3]、條件中值濾波[4]、最大似然門限估計[5]等。干擾陷波算法[6]則有：直接零陷、非線性鉗位、幅度倒置等?？偨Y(jié)起來，門限估計和干擾陷波就是一個將含干擾的混合頻譜進(jìn)行白噪化處理的過程。
綜上所述，整個重疊加窗DFT抗干擾算法的原理框圖如圖2所示，主要可分為加窗處理、重疊處理、FFT/IFFT長度選擇、門限估計、干擾陷波這五個關(guān)鍵問題。本章的主要目的是深入分析前2個問題，探討如何才能達(dá)到最佳的窄帶干擾抑制性能，以及兼顧計算復(fù)雜度方面的考慮。
圖2 重疊加窗DFT抗干擾算法的原理框圖
3.窗函數(shù)的優(yōu)化選取
對于頻域抗干擾中窗函數(shù)的選取問題，已有眾多文章對此進(jìn)行了分析討論[5，6，7]。在這些文章中，選取窗函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)其實都一樣，包括兩個方面：一是窗函數(shù)扭曲有用信號帶來的信噪比損耗，二是窗函數(shù)對干擾泄露的抑制能力，也即窗函數(shù)自身的幅頻特性。由于窗函數(shù)在這兩方面的性能沒有必然聯(lián)系，要在這兩者之間尋找一種平衡或者折衷也就十分困難，所以上述文章都沒有給出一個在頻域抗干擾中窗函數(shù)選擇的最優(yōu)結(jié)果。
本文認(rèn)為，頻譜抗干擾算法中窗函數(shù)的選擇可以不必考慮加窗帶來的信噪比損耗問題，因為后續(xù)的重疊處理可以準(zhǔn)確重構(gòu)或近似重構(gòu)原始信號，重疊加窗整體的信噪比損耗可忽略不計，詳細(xì)內(nèi)容在下一小節(jié)中討論。前人在選擇窗函數(shù)時之所以糾纏加窗的信噪比損耗問題，只是因為在重疊加窗DFT抗干擾框架下沒有找到準(zhǔn)確重構(gòu)原始信號的重疊處理方法。而本文選取窗函數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)只有一個，就是窗函數(shù)對DFT譜分析時對干擾泄露的抑制能力。
假設(shè)輸入窄帶干擾信號為一個CWI，經(jīng)過加窗DFT后，干擾譜線包絡(luò)就是窗函數(shù)的幅頻響應(yīng)，其主瓣內(nèi)的譜線一般會明顯高于噪聲電平，旁瓣則淹沒于噪聲之下無法識別，記窗函數(shù)的傅里葉變換為。隨后的自適應(yīng)濾波會將主瓣內(nèi)的譜線識別為干擾進(jìn)行抑制處理，而旁瓣內(nèi)的干擾則被殘留下來。由于干擾譜線處理的同時也損害了有用信號，所以希望主瓣內(nèi)的譜線盡量少，即窗函數(shù)幅度譜的主瓣寬帶越窄越好。同時也希望旁瓣盡量低，殘留在旁瓣內(nèi)的干擾功率就小，這可以等效為最小化旁瓣功率比重，或最大化主瓣功率比重的問題：
（2?1）
上式中，表示主瓣寬帶的一半，;為環(huán)境熱噪聲功率譜密度。對于各種窗函數(shù)的幅頻特性，文獻(xiàn)[2]作出深入分析研究，Kaiser窗作為一種設(shè)計靈活的窗函數(shù)，可以實現(xiàn)主瓣功率的盡量集中，在具有相同旁瓣電平水平情況下，比其它窗函數(shù)的主瓣更窄。因此，在本文的重疊加窗DFT抗干擾算法中，選擇了最優(yōu)的Kaiser窗。這不同于[3]所采用的Blackman-Harris窗，也不同于[8]所推薦的Hann窗。下面的分析結(jié)果可以看出，采用Kaiser窗的抗干擾性能更好。圖3給出了幾種常用窗函數(shù)的幅頻特性。
圖3 常用窗函數(shù)幅頻特性
同時，表1給出了上述幾種窗函數(shù)的主瓣寬帶和最大旁瓣電平。需要注意的是主瓣寬帶與窗函數(shù)長度（或FFT點數(shù)）無關(guān)，最大旁瓣電平可以近似為旁瓣功率比重。
表1 常用窗函數(shù)特性比較
窗函數(shù) 主瓣寬帶（2π/N） 最大旁瓣（dB）
Triangle窗 4 -25.07
Hann窗 4 -31.47
Blackman-Harris窗 8 -92.03
Kaiser窗（β=8.96） 6 -66.01
Kaiser窗（β=15.2） 10 -115.70
對于潛在的GNSS應(yīng)用中，抗干擾算法需要應(yīng)對干噪比（Jamming-to-Noise Ratio）為60dB的CWI干擾，如果分別采用上述5種窗函數(shù)與FFT做譜分析，那么根據(jù)圖3所示，頻域濾波要處理的譜線個數(shù)分別為35、13、7、5、9個。如果同樣是使用1024點FFT，能夠容忍10%有用信號帶寬被濾除，那么，分別采用上述窗函數(shù)的頻域抗干擾算法能夠抑制的CWI干擾數(shù)量分別為2、7、14、20、11個。顯然，采用β=8.96的Kaiser窗，頻域濾波需要處理的譜線數(shù)最少，對有用信號的損害最小，相同帶寬內(nèi)能抑制更多干擾，明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[11，12]中的干擾抑制能力;并且濾波后殘留的干擾功率極小，僅為旁瓣功率。
4.重疊處理算法的優(yōu)化
非矩形的窗函數(shù)處理都會帶來信噪比損耗，加窗后重疊處理可以緩解此損耗，那么本小節(jié)將探討如何進(jìn)行重疊處理使得信噪比損耗盡量小。Capozza提出了50%重疊選擇輸出算法[3]，采用兩路信號處理通道，第一路直接進(jìn)行加窗DFT，第二路先進(jìn)行50%塊長的延遲再做加窗DFT，兩路數(shù)據(jù)合成時分別選擇對應(yīng)于窗函數(shù)中部扭曲較小的部分輸出，此算法使得Blackman-Harris窗損耗由無重疊時的-3.02dB降低為-0.59dB。Harris則提出了重疊相加算法[2]，即兩路數(shù)據(jù)合成時將相鄰數(shù)據(jù)塊的重疊部分相加輸出，根據(jù)重疊比例的不同分為25%重疊相加、50%重疊相加、75%重疊相加等，重疊比例越大，信噪比損耗越小，計算量也越大。常用的重疊輸出處理方式有重疊相加與重疊選擇，對于同樣的窗函數(shù)，重疊相加一般都比重疊選擇的損耗更小[9]。近年來，又有楊曉波提出了反加窗的方式來改善加窗損耗[10]，但由于窗函數(shù)兩端邊緣處權(quán)值較小，其倒數(shù)變化幅度很大，直接反加窗效果并不十分理想。本文基于以上算法，提出重疊相加后再反加窗的重疊處理方式，由于50%重疊相加等效窗的權(quán)系數(shù)變化平緩，所以與其倒數(shù)成正比的反加窗權(quán)系數(shù)也變化平緩，可以做到準(zhǔn)確重構(gòu)或近似重構(gòu)原始信號，使得加窗帶來的信噪比損耗可忽略不計。
設(shè)定窗函數(shù)的時域表達(dá)形式為w（n），，其中N為窗函數(shù)長度，亦為DFT塊長。那么直接加窗帶來的信噪比損耗可以表示為：
（2-2）
下面在最常見的50%重疊比例情況下，比較重疊選擇、重疊相加、重疊相加再反加窗三種重疊處理方式的信噪比損耗。
對于50%重疊選擇輸出方式，等效窗函數(shù)可表示為：
（2-3）
而50%重疊相加輸出方式，等效窗函數(shù)為：
（2-4）
對于50%重疊相加再反加窗，等效窗函數(shù)就是矩形窗：w3（n）=1，。圖4以Blackman-Harris窗為例，給出了上述三種重疊處理方式的等效窗函數(shù)的時域波形。
圖4 重疊處理方式比較
依據(jù)公式（2-4），可以計算出幾種常用窗函數(shù)分別采用上述三種重疊處理方式后的信噪比損耗結(jié)果，如表2所示，其中窗函數(shù)長度選擇為1024。
表2 重疊加窗的信噪比損耗比較
窗函數(shù) 無重疊（dB） 50%重疊選擇（dB） 50%重疊相加（dB） 50%重疊相加再反加窗（dB）
Triangle窗 -1.25 -0.16 0 0
Hann窗 -1.76 -0.15 -0.01 0
Blackman-Harris窗 -3.02 -0.59 -0.32 0
Kaiser窗（β=8.96） -2.44 -0.36 -0.10 0
Kaiser窗（β=15.2） -3.52 -0.86 -0.64 0
綜上所述，不管是選擇什么窗函數(shù)，50%重疊相加再反加窗都可實現(xiàn)原始信號的準(zhǔn)確重構(gòu)。由于50%重疊相加等效窗的權(quán)系數(shù)變化平緩，所以與其倒數(shù)成正比的反加窗權(quán)系數(shù)也變化平緩，在硬件實現(xiàn)時權(quán)系數(shù)定點量化誤差較小，使得重疊相加后的反加窗切實可行?；谏鲜龇治?，重疊加窗DFT抗干擾算法的原理框架可以改進(jìn)如圖5所示。
圖5 改進(jìn)的重疊加窗DFT抗干擾算法的原理框圖
5.小結(jié)
重疊加窗DFT抗窄帶干擾算法是目前應(yīng)用最為廣泛的抗窄帶干擾算法之一，它能夠?qū)φ瓗Ц蓴_信號進(jìn)行快速識別和準(zhǔn)確濾除，且實現(xiàn)簡單。本章首先詳細(xì)介紹了頻域抗干擾算法的基本原理，分析了采用重疊加窗處理的原因，給出了經(jīng)典的重疊加窗DFT抗窄帶干擾算法的原理框圖。然后將此抗干擾算法歸納分解為加窗處理、重疊處理、FFT/IFFT長度選擇、門限估計、干擾陷波五個關(guān)鍵問題，分別進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究。對于窗函數(shù)的選取，本章明確了唯一的評價標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為在頻譜抗干擾中采用Kaiser窗能夠?qū)崿F(xiàn)對干擾泄露的最佳抑制。對于重疊處理，本章分析比較了重疊選擇、重疊相加、重疊相加再反加窗三種處理方式的信噪比損耗，重疊相加再反加窗可以實現(xiàn)原始時域信號的準(zhǔn)確重構(gòu)，信噪比損耗可忽略不計，適合在抗干擾算法中使用。上述加窗與重疊處理方法在插入損耗與相同帶寬內(nèi)的抗窄帶干擾能力方面均優(yōu)于前人的算法效果。本章通過上述兩個方面的深入研究，提出了優(yōu)化的加窗與重疊處理方法，并兼顧干擾抑制性能與算法復(fù)雜度，給出了一套性能優(yōu)良的重疊加窗DFT抗窄帶干擾算法的實現(xiàn)方案。
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關(guān)鍵詞：PC，多DSP，串行通信，協(xié)議
1. TMS320F2812 DSP處理器概述
隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，高速信息處理和自動控制在各個生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越顯示出其舉足輕重的地位。而DSP處理器的誕生、發(fā)展以及優(yōu)越的性能正是滿足了市場的這種需求，同時它又進(jìn)一步的促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步。
DSP處理器是對數(shù)字信號進(jìn)行高速實時處理的專用處理器，處理速度比普通的CPU快的多。其中32位TMS320F2812 DSP的工作頻率150MHz，堪比Intel 586處理器運算能力。用戶不僅可以應(yīng)用匯編語言、高級語言編寫系統(tǒng)程序，也能夠采用C/C++語言開發(fā)高效的數(shù)學(xué)算法。因此該類芯片在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛應(yīng)用。在工程應(yīng)用中，其多下位機(jī)的串行數(shù)據(jù)交互愈顯重要，備受關(guān)注。
2. F2812 SCI接口特點
F2812提供兩個SCI接口，均采用雙線制通信的異步通信串行接口。為了減小串口通信時的開銷，F(xiàn)2812的串口支持16級接收和發(fā)送FIFO，單獨的發(fā)送器、接收器中斷以及各自的單獨啟動位，可以進(jìn)行半雙工或者全雙工操作，支持兩種喚醒多處理器方式：空閑線喚醒和地址位喚醒。
3． F2812 SCI與PC的連接
F2812內(nèi)部有兩路專用的串行通信模塊SCIA、SCIB，應(yīng)實際工程需要，僅使用一路SCIB與PC進(jìn)行串行通信。F2812SCIB與PC通信連接如圖1-1所示。PC的串行通信接口一般采用RS-232協(xié)議，該協(xié)議傳輸速率低，傳輸距離近，抗干擾能力弱，很難保障實際工程現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和較遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。因此工程中采用了平衡差分接收的RS-485協(xié)議，使得抗干擾能力和傳輸距離等性能得到了很大的提升，滿足了實際需要。
圖1-1 PC與F2812串行通信連接圖
圖中74LBC184是一RS485模塊，其引腳/RE和DE與F2812的一個通用口相連，控制串口數(shù)據(jù)的輸入和輸出。
4．PC與多DSP串行傳輸協(xié)議的設(shè)計
4.1 數(shù)據(jù)幀的定義
數(shù)據(jù)幀是串行通信中數(shù)據(jù)鏈路層中所傳輸數(shù)據(jù)的最小單位。根據(jù)F2812 SCI的結(jié)構(gòu)特點以及實際傳輸數(shù)據(jù)效率的需要，定義數(shù)據(jù)幀每幀為16字節(jié)，格式如表1-1所示，。
表1-1 數(shù)據(jù)幀格式
Abstract： In this paper， we use the Internet of things technology and vehicle LIN bus technology to collect the data from the car battery sensor to the remote server， remote server achieves the remote monitoring and fault diagnosis function of the battery through the data storage and display， to solve the shortcomings that existing car battery diagnosis must be diagnosed in a wired way.
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；LIN總線；監(jiān)測
Key words： Internet of things；LIN bus；monitoring
中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）31-0092-02
0 引言
隨著無線通信技術(shù)的逐步發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)智能家居，水電氣的無線抄表系統(tǒng)，智能交通領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。但是直接將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和GPRS融合到一起，開發(fā)出一種智能的關(guān)于車輛電池診斷的產(chǎn)品還無定型產(chǎn)品，大部分產(chǎn)品只是和已有的GPRS模塊進(jìn)行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。但這種“組裝產(chǎn)品”無法控制GPRS模塊，給其運行和調(diào)試人員帶來諸多不便，尤其針對于應(yīng)用于研發(fā)階段汽車電池匹配的設(shè)備并沒有，所以說開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的車載電池診斷系統(tǒng)這種混合網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)關(guān)勢在必行，為汽車電池匹配工作提供了更加便捷的方式。
1 系統(tǒng)的框架設(shè)計
本系統(tǒng)主要有汽車電池信號采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信號顯示診斷系統(tǒng)兩部分組成的。本系統(tǒng)的工作原理是利用汽車上的電池傳感器（汽車電池的電流、電壓傳感器和電池溫度傳感器）采集到的電流、電壓和溫度信號通過車載LIN收發(fā)器和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)端，遠(yuǎn)程服務(wù)器端對采集到的信號自動存儲數(shù)據(jù)，并自動生成診斷報告，對汽車電池的性能和工作環(huán)境做出判斷。系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用STM32開發(fā)板作為開發(fā)平臺，選用LIN收發(fā)器TJA1020進(jìn)行信號處理，同時選用具有GPRS功能和短信功能的SIM300模塊來與服務(wù)器診斷中心的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括了電源電路設(shè)計、晶振復(fù)位電路設(shè)計、LIN總線電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計等。
2.1 電源電路和晶振復(fù)位電路的設(shè)計
電源電路的設(shè)計主要考慮的是STM32微控制器需要的電壓是3.3V的，而汽車上的蓄電池是12V的，所以電源模塊的設(shè)計只需要把蓄電池的12V電壓轉(zhuǎn)換成5V的電壓就可以，為防止意外短路情況的發(fā)生，在電源電路的設(shè)計過程中加上保險絲保護(hù)電路即可。晶振復(fù)位電路的設(shè)計直接采用STM開發(fā)板的電路。電源電路和晶振復(fù)位電路組成了系統(tǒng)的最小系統(tǒng)。
2.2 LIN總線電路設(shè)計
系統(tǒng)采用的LIN總線TJA1020收發(fā)器是一個物理媒體連接， 它是 LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器和 LIN 傳輸媒體之間的接口。該收發(fā)器可以工作在低功耗模式幾乎不消耗電流，減少功率損失。TJA1020收發(fā)器把電池傳感器采集到的信號輸送給MCU，實現(xiàn)了電路信號的收發(fā)功能，而且TJA1020收發(fā)器具有隔離功能，有效的隔絕干擾信號，系統(tǒng)設(shè)計的總線電路圖如圖2所示。
2.3 通訊電路設(shè)計
為把采集到的信號遠(yuǎn)程輸送到服務(wù)器端，系統(tǒng)設(shè)計了遠(yuǎn)程通訊電路，該電路采用SIM300模塊。SIM300模塊有完善的三頻/四頻GSM/GPRS解決方案。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800/1900MHz三種頻率下工作，SIM300以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。
SIM300模塊具有正常操作模式、斷電模式、最小系統(tǒng)模式和警報模式4種模式。SIM300提供了兩個不平衡異步操作的串口。將SIM300模塊設(shè)計成數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，通過信號與微處理器相連連接，支持從1200波特到115200波特的波特率。根據(jù)SIM模塊的特性和本系統(tǒng)的要求，設(shè)計出的通訊電路如圖3所示。
2.4 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計
系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計對于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運行有著重要的作用，本文的抗抗干擾設(shè)計主要考慮以下兩點。
①元器件的布局過程中將數(shù)字電路和模擬電路分開，布線時注意線的走向一致，減少回路環(huán)的面積。
②電源模塊單獨布置，以減小電源波動對電路的影響。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計的過程采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想，系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)庫采集系統(tǒng)的程序、車載LIN總線通訊協(xié)議的設(shè)計及遠(yuǎn)程顯示診斷系統(tǒng)的設(shè)計。
系統(tǒng)把采集到的信號經(jīng)過MCU的處理，把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)端，遠(yuǎn)程服務(wù)端先把數(shù)據(jù)存儲起來，并判斷數(shù)據(jù)是否在正常的范圍內(nèi)，如果采集到的數(shù)據(jù)正常，則在上位機(jī)上顯示出來，如果數(shù)據(jù)不在正常的范圍內(nèi)則報警示意，提醒駕駛員更換電池。系統(tǒng)主控單元的流程圖如圖4所示。
4 實驗結(jié)果及結(jié)論
系統(tǒng)測試采用的是60Ah的蓄電池作為實驗對象，利用設(shè)計的遠(yuǎn)程車載電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對汽車電池電壓、電流、溫度等信息的監(jiān)測。一旦某個參數(shù)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會報警顯示。這對電動汽車電池的維護(hù)具有重要的意義，可以快速提醒駕駛員電池的使用狀況，對駕駛員提供汽車電池的使用提供技術(shù)支持，防止對電池的損害，延長電池的使用壽命和使用效率，節(jié)省成本。
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論文摘要 煤礦膠帶輸送機(jī)控制運行系統(tǒng)種類繁多。采用可靠穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，提高皮帶運轉(zhuǎn)效率，在煤礦安全生產(chǎn)中具有重要意義。本文討論應(yīng)用plc控制系統(tǒng)來提高皮帶運輸系統(tǒng)的安全性和可靠性。
1 概述
現(xiàn)在的膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)多數(shù)采用單片機(jī)控制，運行穩(wěn)定性不高，智能化不強(qiáng)，尤其是綜合保護(hù)裝置穩(wěn)定性差，各種保護(hù)傳感器故障發(fā)生頻繁，而且主機(jī)控制模塊化，插件易損壞，更換頻率高。由于采用模塊化設(shè)計，小部分模塊壞時，企業(yè)往往就要更換整個大模塊，從而造成資源浪費，加大了煤礦生產(chǎn)成本投入。而采用plc可編程控制程序的綜合保護(hù)裝置，它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。它的主要優(yōu)點包括：
1.1可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc控制系統(tǒng)由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，內(nèi)部電路具有先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，為使無故障工作時間更長，采用可編程二重容錯處理技術(shù)。此外，plc控制系統(tǒng)帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除plc以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。
1.2配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)
plc發(fā)展到今天，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。隨著plc的不斷發(fā)展， plc在位置控制、溫度控制、cnc等各種工業(yè)控制中的技術(shù)應(yīng)用已相當(dāng)成熟。
1.3易學(xué)易用，維護(hù)方便
plc作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。
1.4經(jīng)濟(jì)合算
盡管使用plc首次投資要大些，但它的體積小、所占空間小，輔助設(shè)施的投入少；工作可靠，停工損失少；維修簡單，維修費少；還可再次使用以及能帶來附加價值等等，從中可得更大的回報。
通過以上分析，采用plc控制系統(tǒng)，能大大改善膠帶輸送機(jī)運行穩(wěn)定差，設(shè)備易損害，成本投入高等缺點。它在綜合保護(hù)裝置技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，可行性強(qiáng)。
2 plc控制程序在膠帶輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置的應(yīng)用
膠帶輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置主要包括主機(jī)、防滑保護(hù)、堆煤保護(hù)和防跑偏保護(hù)、溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)和自動灑水裝置，以及沿線緊停開關(guān)和全巷道語音報警信號等，現(xiàn)就plc可編程控制系統(tǒng)在綜合保護(hù)裝置中的應(yīng)用做如下介紹：
2.1主機(jī)
主機(jī)可采用plc多重處理器，并行處理技術(shù)，多重抗干擾技術(shù)，軟件采用模塊化設(shè)計。使配置應(yīng)用靈活，便于擴(kuò)展維護(hù)，易于編程，可實時顯示工作狀態(tài)及故障性質(zhì)，同時選用可靠性高的連接器件，使其布局合理、體積小、重量輕，本安電路經(jīng)防潮防水處理，避免出現(xiàn)受潮。同時設(shè)計啟動預(yù)告、啟動、停止、緊急停車、聯(lián)鎖等功能的開關(guān)量輸出。包括煙霧保護(hù)、溫度保護(hù)、超溫灑水等。
針對膠帶輸送機(jī)的頻繁啟動，輸送帶容易出現(xiàn)斷帶、撕帶事故的弊端，設(shè)計膠帶點動啟動系統(tǒng)。同時可設(shè)有實驗、集控、工作3種操作方式?？筛鶕?jù)生產(chǎn)，維修需要任意轉(zhuǎn)換，并可實時監(jiān)測各種傳感器狀況及沿線緊停開關(guān)信號。
1）在實驗操作方式下，可以對任意一種傳感器進(jìn)行實驗，并確認(rèn)是否完好運轉(zhuǎn)正常；
2）在集控操作方式下，可以對某種故障傳感器進(jìn)行解除和投入。因某種傳感器突然故障或其他原因等，仍使系統(tǒng)繼續(xù)運轉(zhuǎn)；
3）在工作操作方式下，可以根據(jù)點動啟動方式，先讓輸送帶得到緩沖，然后第二次按啟動按鈕使輸送機(jī)正常運轉(zhuǎn)，既減輕了膠帶撕帶接頭的緩沖壓力，避免了膠帶斷帶撕帶現(xiàn)象，有效地遏止了事故的發(fā)生。
2.2煙霧傳感器
采用專用煙霧集成電路，傳感器輸出與煙霧信號成正比的電壓信號，經(jīng)電壓比較器及數(shù)字電路處理輸出煙霧超限報警信號。特別適合于礦井防火灑水，起到高溫報警的作用。
2.3速度傳感器
速度傳感器具有發(fā)光管和光電接收管,通過接收滾筒上的磁脈沖，通過在標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)計數(shù)脈沖次數(shù)得到輪的轉(zhuǎn)速,從而得到軸轉(zhuǎn)速。實現(xiàn)檢測低速打滑、斷帶和超速保護(hù)。穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)。
2.4防跑偏裝置
可由接線箱和傳動桿兩部分組成，導(dǎo)桿采用高速軸承接觸與皮帶同步運動，減少了皮帶磨損，選用行程開關(guān)，傳動導(dǎo)臂大于設(shè)定時停機(jī)。
2.5堆煤傳感器
采用萬向推桿方式，當(dāng)皮帶煤倉、煤流超限時，煤流推動導(dǎo)桿大于設(shè)定角度時，延時0s~4s主機(jī)動作，皮帶停機(jī)。
2.6溫度傳感器
采用專用溫度集成電路和高精度轉(zhuǎn)換器、v/v轉(zhuǎn)換、電壓比較器、報警器及輸出電路。具有精度高，免校準(zhǔn)，工作穩(wěn)定可靠，設(shè)定容易等優(yōu)點。
2.7急停開關(guān)
作為沿線維修及系統(tǒng)異常事故的安全鎖定，復(fù)位后方可開機(jī)?？刹捎眯谐涕_關(guān)設(shè)計。輸送機(jī)巷道每個緊停開關(guān)用拉繩進(jìn)行連接，信號接入帶式輸送機(jī)控制開關(guān)，實現(xiàn)在輸送機(jī)巷道內(nèi)任何一點都能緊急停車的功能。
2.8語音信號器
語音報警信號裝置集信號傳遞、發(fā)光顯示、通話為一體。通過電壓放大器與輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置主機(jī)相連接。在全巷道內(nèi)安設(shè)多個該裝置，并通過電纜串聯(lián)連接，從而在全巷道內(nèi)實現(xiàn)了報警功能。當(dāng)輸送帶要啟動時，它與膠帶綜合保護(hù)裝置主機(jī)啟動信號同步響起，在全巷道內(nèi)發(fā)出啟動預(yù)警信號，提醒周圍職工遠(yuǎn)離輸送帶，確保人員安全。
2.9自動灑水裝置
灑水裝置應(yīng)安裝在輸送機(jī)驅(qū)動裝置兩側(cè)，其灑水能夠起到對驅(qū)動膠帶和驅(qū)動滾筒同時灑水降溫滅火的效果。它與溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)裝置的作用是當(dāng)輸送帶在驅(qū)動滾筒上打滑，使輸送帶與驅(qū)動滾筒摩擦，驅(qū)動滾筒與輸送帶的溫度升高，熱量積聚，產(chǎn)生煙霧時，監(jiān)測溫度信號、煙霧信號，實現(xiàn)自動停機(jī)，并自動灑水，把事故消滅在萌芽狀態(tài)。
3 結(jié)論
膠帶輸送機(jī)保護(hù)裝置中plc可編程程序控制技術(shù)的應(yīng)用，方便實現(xiàn)了整條輸送機(jī)的邏輯控制，主要技術(shù)參數(shù)的在線監(jiān)測，大大提高了文明生產(chǎn)與科學(xué)管理的水平，實現(xiàn)其速度、堆煤、跑偏的自動檢測與溫度、煙霧動作時的自動灑水，可使膠帶輸送機(jī)司機(jī)心中有數(shù)，這對減員增效，降低工作的維修工作量，提高工人素質(zhì)，改善其工作環(huán)境均有一定的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)，節(jié)水，智能控制
1 引言
目前，水資源的管理和節(jié)約成為世界性的難題。在控制人們意識上浪費的同時，各種節(jié)水設(shè)備也應(yīng)運而生。目前大多都是著眼于用水節(jié)約和效率，卻忽視了廢水的循環(huán)使用。為此，本文基于“綠色設(shè)計”的原則，設(shè)計了一種基于單片機(jī)控制的家庭智能節(jié)水系統(tǒng)，最大限度的做到“水盡其用”。
2 智能節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計思路
該設(shè)計用MCS-51單片機(jī)作為控制電路的核心控制部件來構(gòu)成控制器,單片機(jī)輸出不同程序信息，經(jīng)過移位寄存器74LS164驅(qū)動，使得數(shù)碼管顯示相應(yīng)內(nèi)容，紅外傳感器以及混濁度傳感器和水位傳感器檢測到的模擬信號經(jīng)過8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號寫入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理再把數(shù)字信號經(jīng)過8255A送給電磁閥電路和繼電器電路，控制其工作與否。從結(jié)構(gòu)來說該設(shè)計包括A/D轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展I/O口。輸入部分包括按鍵設(shè)置、水位傳感器、渾濁度傳感器和紅外傳感器。輸出部分包括LED顯示、繼電器驅(qū)動電路、電磁閥驅(qū)動電路和發(fā)光二極管。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖
3 智能節(jié)水系統(tǒng)硬件選擇
家庭節(jié)水系統(tǒng)通常包括4個主要構(gòu)成部分，分別是收集器、處理器、儲存器和供給器。系統(tǒng)中要用水位傳感器和渾濁度傳感器及多個電磁閥、繼電器等，既有模擬量又有數(shù)字量。
3.1單片機(jī)的選取
ATMEL公司的89系列單片機(jī)也稱Flash單片機(jī)是以8031為核心構(gòu)成，它和 INTEL公司的MCS-S1系列單片機(jī)完全兼容，擴(kuò)展了它的功能。89系列單片機(jī)存在下列很顯著的優(yōu)點:
(1)內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器;(2)和AT80C51插座兼容;(3)靜態(tài)時鐘方式;
(4)錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生;(5)可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗。
鑒于以上的優(yōu)點，經(jīng)過分析比較，根據(jù)本系統(tǒng)的特點，選用ATMEL公司89系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)AT89C51。其片內(nèi)含有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)和4K字節(jié)的可電擦電寫閃爍程序存儲器E2PROM，這足以滿足系統(tǒng)實現(xiàn)其功能。
3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片
在眾多的轉(zhuǎn)換器中以逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的性價比最高，應(yīng)用最廣泛，國內(nèi)使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，根據(jù)本系統(tǒng)的特點和要求選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它包括一個高阻抗斬波比較器；一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)；一個邏輯控制環(huán)節(jié)和8 位逐次比較寄存器(SAR)；一個8位三態(tài)輸出緩沖器。
該系統(tǒng)中ADC0809與AT89C51單片機(jī)的連接如圖2所示，采用等待延時方式。論文大全。ADC0809的時鐘頻率范圍要求在10-1280kHz。ADC0809的CLOCK腳的頻率是單片機(jī)時鐘頻率的1/6，因此當(dāng)單片機(jī)的時鐘頻率采用6MHz。ADC0809輸入時鐘頻率即為CLOCK=1MHz，發(fā)生啟動脈沖后需延時100μs才可讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
3.3 按鍵的識別和輸出顯示
常用的鍵盤有陣列式鍵盤、獨立式鍵盤。本設(shè)計中有4個按鍵，不必采用陣列式，而采用獨立式鍵盤鍵接一個上拉電阻與P1口的一個管腳連接。對于按鍵的識別，有動態(tài)掃描和中斷兩種方式，在該設(shè)計中，按鍵的使用并不是很頻繁，所以采用了中斷的方式進(jìn)行按鍵的識別．
對于輸出，有動態(tài)并行輸出、LCD液晶顯示屏和靜態(tài)譯碼輸出三種方式。水箱中的液位要提供給用戶，采用了最簡單的八段數(shù)碼管作為顯示部分的硬件電路。該設(shè)計中只用到兩個數(shù)碼管顯示，不會占用很多硬件資源，所以采用了靜態(tài)顯示。這樣在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下，顯示器的亮度大，而且顯示穩(wěn)定。在輸出方式上，由于對數(shù)碼管響應(yīng)速度不高，采用了串行移位的方式。這里采用74LS164進(jìn)行顯示驅(qū)動。
3.4電磁閥與繼電器的控制
為使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，采用了24V電磁閥和12V 繼電器。由于電磁閥不能直接與單片機(jī)相連，采用了光電隔離，再通過IRF 530進(jìn)行驅(qū)動。繼電器的驅(qū)動采用的是最簡單的方法，即三極管驅(qū)動，通過I/O腳電平的翻轉(zhuǎn)來對電磁閥進(jìn)行開/關(guān)控制。論文大全。電磁閥開關(guān)動作的控制脈沖寬度可選為30ms。其控制電路如圖3所示。
圖3 電磁閥控制電路
3.5渾濁度傳感器、液位傳感器和紅外傳感器
APMS-10G渾濁度傳感器可以根據(jù)溶液含有的雜質(zhì)、灰塵的顆粒大小、密度不同，產(chǎn)生光電經(jīng)濾波后輸出即得到渾濁度檢測信號。采用AT89C51單片機(jī)與APMS-10G渾濁度傳感器通信,讀出渾濁度值,再將數(shù)據(jù)通過串行口傳給主機(jī)，采用可控三態(tài)門74LS125將兩路串行通道隔離,通過可控端分時使用，當(dāng)P17輸出高電平時,與APMS-10G的通道導(dǎo)通；當(dāng)P17引腳低電平時,與主機(jī)的通信回路導(dǎo)通。從機(jī)串口平時與主機(jī)保持通信暢通,將串口設(shè)為中斷狀態(tài),隨時可以接收主機(jī)發(fā)來的指令。
眾多的的傳感器當(dāng)中。諧振式水位傳感器采用了先進(jìn)的傳感原理,高Q值的諧振電路,具有較強(qiáng)的抗干擾能力、結(jié)構(gòu)靈巧、精密、簡單易于制造。該設(shè)計中采用了諧振式水位傳感器作為中位水箱和低位水箱中的水位檢測裝置。
紅外傳感器安裝在水龍頭內(nèi),當(dāng)人手觸發(fā)傳感器時,信號傳遞給單片機(jī)。對于紅外傳感器，則利用熱釋電紅外傳感器直接接收運動人體的信號，使用574S紅外探頭。此電路只需要接收系統(tǒng)，不需要發(fā)射系統(tǒng)，通過技術(shù)處理，可以只接受運動的人體信號，比常規(guī)紅外光接收器抗干擾性強(qiáng)。論文大全。
4 智能節(jié)水系統(tǒng)主程序流程圖
系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。設(shè)計的思路是首先初始化，讓所有芯片都恢復(fù)最開始的設(shè)置，等所有芯片都準(zhǔn)備好了之后，則讀取E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行A/D采樣，讀取水位傳感器和渾濁度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若有數(shù)據(jù)輸入，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序并顯示水位的高度；沒有數(shù)據(jù)輸入則繼續(xù)下面的按鍵判斷。有鍵按下時，判斷是哪個按鍵按下，然后再轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序；若無按鍵按下，則轉(zhuǎn)回A/D采樣子程序，重復(fù)上述的程序，如此往復(fù)進(jìn)行下去。
5 結(jié)束語
提出了家庭智能節(jié)水系統(tǒng)控制器的設(shè)計方案、硬件電路和主程序流程圖。
（1）從人性化、性價比方面綜合考慮器件的優(yōu)略，為該系統(tǒng)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。
（2）紅外感應(yīng)水龍頭、LED顯示和延時可調(diào)開關(guān)不僅方面使用，便于監(jiān)控，而且方便自如的調(diào)節(jié)水流時間，達(dá)到了節(jié)約用水的目的。
（3）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保。
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