高壓電塔接地防雷測試裝置的數(shù)字信號處理系統(tǒng)

才源 陳瑞國 劉忠 趙廣忠 劉居輝

【摘 要】本文主要介紹了一種應用于高壓電塔接地防雷測試裝置的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，介紹該數(shù)字信號處理系統(tǒng)的原理實現(xiàn)過程，設計方法。這些配置可根據(jù)STM32F4數(shù)據(jù)手冊進行配置。調(diào)試此系統(tǒng)時可借助MATLAB工具，由于MATLAB具有強大的計算能力以及仿真能力，是數(shù)字信號處理中非常有用。

【關鍵詞】數(shù)字信號處理 接地 防雷

【Abstract】This paper describes a high-voltage tower grounding lightning protection applies to test device digital signal processing system， to introduce the principle of digital signal processing systems process design methods.

【Key words】Digital Signal Processing，Grounding，Lightning

1 數(shù)字信號處理簡介

數(shù)字信號處理（DigitalSignal Processing，簡稱 DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。數(shù)字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。

2 數(shù)字信號處理技術對管線定位系統(tǒng)的意義

高壓電塔接地防雷測試裝置是根據(jù)電磁感應的原理來設計的，主要由發(fā)射機和接收機兩部分構成。發(fā)射機將特定頻率電磁信號加在地下埋藏線上，由地下埋藏線產(chǎn)生二次感應電磁場。接收機與配套的發(fā)射機一起使用，接收機通過接收由發(fā)射機經(jīng)地下埋藏線產(chǎn)生的特定頻率的電磁信號，通過分析和計算可以得出地下管線的位置和埋藏深度。在接收機將線圈的模擬信號經(jīng)ADC采集轉換為數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字信號處理得到線圈感應磁場的強度并進行分析判斷。數(shù)字信號處理質(zhì)量結果在此裝置中尤為重要。

3 數(shù)字信號處理器的選擇

該系統(tǒng)選用STM32F407系列處理器，其CPU主頻達到168MHz，自帶3*12bitADC，單個ADC采樣速度達到2.4MSPS，滿足本系統(tǒng)采樣速率 所需，這款是ARM公司推出的 Cortex-M4F 內(nèi)核是帶有 FPU，DSP 和 SIMD 單元的見圖1，針對這些單元也增加了專用指令，并且官方對此也有專門的庫以方便客戶調(diào)用，這是區(qū)別于Cortex-M3系列的。Cortex-M3以及以下的版本由于沒帶FPU，DSP和SIMD單元，其處理方式主要由程序來處理，其速度遠達不到要求，

只能用來做測試使用，與實際運用相差甚遠。

以下圖2為不同情況下FFT的實現(xiàn)所需要的時間對比：

由上圖2可知STM32F407在開啟FPU功能時對數(shù)字信號處理速度有很好的提高。

4 數(shù)字信號處理系統(tǒng)處理流程

如圖3所示。

4.1 信號預處理模塊

線圈接收到的信號較弱，要經(jīng)過信號預處理，信號預處理主要是講信號放大。本信號預處理模塊采用AD8231數(shù)字可編程儀表放大器，其放大倍數(shù)為1，2，4，8，16，32，64，128倍軟件可編程增益，還包含一個通用運放放大器，提供額外的增益。由于STM32F407的ADC采集為單電源采集方式，其采集范圍為0～3.3V所以信號預處理時提供的基準電壓VRef為采集最大電壓1/2，即為1.65V，將信號上拉至1.65V給ADC采集，保證采樣信號完整性，CPU判斷數(shù)據(jù)可為信號預處理模塊提供不同的增益以提高采集精度。

4.2 ADC采集數(shù)據(jù)

STM32F407有三個12bit ADC，單個采樣速率2.4MSPS，3個一共開啟采集速度可達7.2MSPS采樣率。由于發(fā)射機最高頻率為30K，根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知采樣速度要達到采樣頻率的2倍以上可還原信號，系統(tǒng)采用2^N采樣倍數(shù)進行采樣，采樣點數(shù)為1024個，當采樣點數(shù)達到1024個時進行FFT變換處理，得出所需要的值，N=3時為8倍的采樣速率，所以單個ADC采樣為240KSPS再乘以8路信號，一共是1.92MSPS小于2.4MSPS滿足要求。

系統(tǒng)采用ADC1，其頻率設置為：

PCLK2 = HCLK / 2

ADCCLK = PCLK2 /2 = HCLK / 4 = 168 / 4 = 42M

但是ADCCLK最大頻率為36M，所以ADCCLK只能為36M

Sampling Time + Conversion Time = 3 + 12 cycles = 15cyc

Conversion Time = 36MHz / 15cyc = 2.4MSPS

通道數(shù)為8通道，12bit的采樣位數(shù)，通道為ADC_Channel_1～ ADC_Channel_8八個采樣通道，采用DMA傳輸至定義好的數(shù)組中ADCConvertedValue[8*1024]，數(shù)組大小為8*1024.其存放順序是1-8重復存放，每次采樣由TIM1定時器觸發(fā)，當采樣數(shù)達到8*1024時將ADCConvertedValue[8*1024]分別拆分在八路信號的數(shù)組中ADCConvertedValue1_in[1024]～ ADCConvertedValue8_in[1024]，配置DMA滿時中斷即可對數(shù)據(jù)進行處理。

4.3 數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理部分采用傅立葉變換，傅立葉變換是一種分析信號的方法，它可分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如正弦波、方波、鋸齒波等，傅立葉變換用正弦波作為信號的成分。

連續(xù)形式的傅里葉變換其實是傅里葉級數(shù)的推廣，因為積分其實是一種極限形式的求和算子而已。對于周期函數(shù)，它的傅里葉級數(shù)（Fourier series）表示被定義為：

其中 T 為函數(shù)的周期，F(xiàn)n 為傅里葉展開系數(shù)，F(xiàn)n為：

對于實值函數(shù)，其里葉級數(shù)可以寫成：

其中 an 和 bn 是實頻率分量的振幅，由理論可知，一個周期的信號是由無窮個正余弦波疊加而成的，當要得到某種信號的幅度時，信號經(jīng)過傅里葉變換取得對應頻率的幅值。

當采樣頻率為Fs，采樣信號頻率f，采樣點數(shù)為N，F(xiàn)s一般為f的2^n倍，n為正整數(shù)，其得到采樣信號分辨率為Fs/N，例如：Fs=1024HZ，N=1024，f=256HZ，其分辨率為1024HZ/1024=1HZ，分辨率隨著采樣點數(shù)增加而增加，由于分辨率為1HZ，所以f為傅里葉變換的第257個點，第一點為直流分量，傅里葉變換得出的幅值K，轉換為信號的幅值公式為：直流分量幅值=K/N，交流分量幅值=K/（N/2）。

以下使用本系統(tǒng)最大頻率進行說明，其它頻率也一致：

由于采樣頻率為240K，采樣點數(shù)為1024，其分辨率為240KHZ/1024=234.375HZ，當發(fā)射機發(fā)射信號為30K時，此時FFT變換的所得的模值最大為30K所在的位置，即30KHZ/234.375=128，即第129個值為最大值。

用到STM32F4庫函數(shù)為：

cr4_fft_1024_stm32（ADCConvertedValue1_out[1024]， ADCConvertedValue1_in[1024]， 1024）；//將ADC采樣回來的值進行FFT變換，這是為DSP庫自帶的處理函數(shù)

這個匯編的FFT庫是來自STM32F10x DSP library，由于是匯編實現(xiàn)的，而且是基4算法，所以實現(xiàn)FFT在速度上比較快。

如果x[N]是采樣信號的話，使用FFT時必須滿足如下兩條：

（1）N得滿足4n（n =1，2， 3…..），也就是以4為基數(shù)。

（2）采樣信號必須是32位數(shù)據(jù)，高16位存實部，低16位存虛部（這個是針對大端模式），小端模式是高位存虛部，低位存虛部。一般常用的是小端模式。

此時，我們將其中的一路信號串口打印輸出，放到MATLAB上仿真可得如下：

MATLAB參數(shù)如下

>> N=1024；

>> n=0：N-1；

>>x=將串口打印出來數(shù)據(jù)存放在此處；

>>y=fft（x）；

>> M=abs（y）；

>> plot（n，M）；

得到如下圖4所示。

這時可在MATLAB workplace查看M的值如下圖5所示。

可以見到第129個點的值為3.0732*10^5，即此處為30K頻率所在位置，與理論得出結果相似，將此時得到值3.0732*10^5/（N/2）=600.234單位為mv，即為線圈感應到的電壓值。將示波器搭在ADC采樣前端并開啟濾波功能，得到的峰峰值為590mv與數(shù)字信號處理得出結果相仿?？芍獢?shù)字信號處理正確。

4.4 CPU判斷處理后數(shù)據(jù)

將八路信號處理過數(shù)據(jù)進行管線定位和深度的算法計算，并控制增益等。

5 結語

電壓電塔接地防雷測試裝置的數(shù)字信號處理系統(tǒng)關鍵在于ADC采集配置，8路ADC采集所需的時間較長，STM32F4系列的采樣頻率剛好滿足所需要的速度，并且自帶的DSP單元大大提高計算效率，其采樣頻率可由定時器來控制，數(shù)據(jù)傳輸采用DMA，DMA設置中斷，當采樣數(shù)據(jù)滿時觸發(fā)中斷進行數(shù)字信號處理。這些配置可根據(jù)STM32F4數(shù)據(jù)手冊進行配置。調(diào)試此系統(tǒng)時可借助MATLAB工具，由于MATLAB具有強大的計算能力以及仿真能力，是數(shù)字信號處理中非常有用。