基于F F T照明線路探測的研究及S T M3 2實現(xiàn)

張喜紅，王玉香

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 亳州 236800）

基于F F T照明線路探測的研究及S T M3 2實現(xiàn)

張喜紅，王玉香

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 亳州 236800）

為了實現(xiàn)對不同負(fù)載類型照明暗線的探測，減少盲目施工的觸電隱患，設(shè)計了一款照明線路探測儀。該探測儀基于電磁感應(yīng)原理，以巨磁電阻為基本探測元件，設(shè)計合理地放大、濾波電路采集拾取信號，以STM32為運算處理單元，對采集的信號執(zhí)行FFT變換，并通過頻譜分析實現(xiàn)不同負(fù)載類型照明暗線區(qū)分。經(jīng)多次整體實驗測試，所得結(jié)果均證實所設(shè)計的照明線路探測儀能在3～4 cm的間距內(nèi)準(zhǔn)確地實現(xiàn)有無通電線路及線路負(fù)載為白熾燈還是節(jié)能燈的區(qū)分。

FFT變換；巨磁電阻；照明線路

0 引言

房屋室內(nèi)裝修時，為了提高美觀度，通常采用暗線布設(shè)照明線纜。當(dāng)裝修后的房屋需進(jìn)行其它電氣設(shè)備安裝施工時，如安裝空調(diào)需對墻體進(jìn)行打孔時，若盲目施工有可能對原有照明線纜造成破壞，甚至發(fā)生觸電危險。所以打孔時首先要確定打孔位置的墻體內(nèi)是否存在照明電纜，以便做到精準(zhǔn)施工。然而，當(dāng)前市場上用于照明暗線非接觸式定位的設(shè)備少之又少，且價格昂貴，便攜性較差。

基于上述背景，2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽以此類設(shè)備的設(shè)計制作作為命題之一，期望借助高校電類專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力來彌補(bǔ)當(dāng)前市場上此類設(shè)備空缺的現(xiàn)狀。在該題目中，不僅要求參賽者的設(shè)計能有效識別照明線路，還要求能區(qū)分白熾燈線路與節(jié)能燈線路?；诖耍疚臄M以STM32為主運算處理單元，以巨磁電阻為敏感元件，采用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）信號頻譜分析方法，設(shè)計一款照明線路探測儀，并對所設(shè)計的探測儀進(jìn)行整體測試，以驗證設(shè)計的合理性。以期為實現(xiàn)照明暗線的有效探測，減少盲目施工的觸電隱患提供一定的理論參考。

1 關(guān)鍵電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡介

所設(shè)計的照明線路探測儀主要由感應(yīng)探頭、信號預(yù)處理電路、STM32F103ZET6微控器、LCD液晶顯示器、按鍵、蜂鳴器等電路組成，其總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 照明線路探測儀系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the detector system

照明線路探測儀中的感應(yīng)探頭采用巨磁電阻實現(xiàn)。在掃線探測時，感應(yīng)探頭貼墻掃動，當(dāng)墻內(nèi)存在通電線路時，探頭先將線路產(chǎn)生的微弱磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；接著，信號預(yù)處理單元電路對其進(jìn)行放大、濾波處理；最后，送入STM32微處理器內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。STM32將采集的信號通過頻譜分析，實現(xiàn)通電照明線路的有無判別以及負(fù)載為節(jié)能燈還是白熾燈的區(qū)分，并將負(fù)載類型顯示在顯示器上，同時驅(qū)動蜂鳴器報警提示。

1.2 探頭電路

照明線路探測儀的探頭選用型號為AA002的巨磁電阻，其內(nèi)部電路原理如圖2所示。

圖2 AA002巨磁電阻原理圖Fig. 2 Schematic diagram of AA002

由圖2可知，探頭的內(nèi)部由R1～R44個相同的電阻構(gòu)成全橋電路。其中R2和R4在結(jié)構(gòu)上采用了磁屏蔽措施，阻值不受測試環(huán)境磁場變化的影響，阻值恒為R0；R1和R3的阻值將隨外界磁場強(qiáng)度的變化而變化。依據(jù)物理學(xué)電磁理論可知，無限長直導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度為，其中I為導(dǎo)線電流，d為場點到導(dǎo)線的距離[1]。

由上述分析可知，照明線路接負(fù)載時，其周圍會產(chǎn)生磁場變化，而巨磁電阻電橋中的磁敏電阻R1和R3因沒有磁屏而將會產(chǎn)生阻值變化，進(jìn)而引起電橋失衡，輸出電壓信號。當(dāng)掃線距離d確定時，巨磁電阻電橋的輸出與導(dǎo)線電流相關(guān)，而導(dǎo)線中的電流又與負(fù)載相關(guān)，因此，分析電橋輸出的電壓信號便可實現(xiàn)線路的識別。

1.3 信號預(yù)處理電路

在掃線工作過程中，需將照明線路的磁信號通過AA002電橋轉(zhuǎn)化為差動電壓信號，該信號為弱信號，幅度僅為幾毫伏，且包含有周邊環(huán)境磁場的干擾信號。因此，在進(jìn)行A/D采樣前，需先進(jìn)行信號放大與濾波預(yù)處理。在簡化硬件電路設(shè)計工作的同時，為了提高前端放大模塊的抗干擾能力，本設(shè)計選用集成精密儀表放大芯片AD620[2]與集成運放LM324，搭建如圖3所示信號預(yù)處理電路。

圖3 信號預(yù)處理電路原理圖Fig. 3 Schematic diagram of the signal processing circuit

圖3所示信號預(yù)處理電路中，選用集成精密儀表放大芯片AD620作為前端放大模塊，其放大增益調(diào)節(jié)十分方便，只需改變R10的大小便可實現(xiàn)，放大增益為，經(jīng)實驗調(diào)試，前端放大增益設(shè)置為50倍左右。由R7、R8、R14、C1、U6構(gòu)成低通濾波器，對150 Hz以上的信號進(jìn)行濾除，并且再次將信號放大80倍左右后，送入STM32內(nèi)置的A/D采樣端口。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 FFT理論分析

根據(jù)設(shè)計要求可知，照明線路探測儀不僅要能識別有無通電線路，還要求能區(qū)分出是白熾燈線路還是節(jié)能燈線路。從時域角度分析信號幅值僅能實現(xiàn)有無通電線路的區(qū)分，而對于區(qū)分線路接入的是白熾燈還是節(jié)能燈很難實現(xiàn)。

依據(jù)文獻(xiàn)[3]可以得知，白熾燈為純阻性負(fù)載，接入線路時不會引起線路電流頻譜特性發(fā)生變化；而節(jié)能燈是感性、容性負(fù)載的綜合體，接入照明線路時將會引起線路電流信號頻譜特性發(fā)生變化。因此，可通過信號頻域分析的方法實現(xiàn)白熾燈與節(jié)能燈照明線路的區(qū)分。傅里葉變換是信號頻域分析的經(jīng)典方法，綜合考慮設(shè)備的便攜性與處理器的運算能力，最終決定選用FFT變換對信號做頻譜分析。FFT是傅里葉變換的一種快速算法[4-7]，便于在運算能力相對有限的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)如式（1）所示：

式中：a0為信號的直流分量，表示一個周期內(nèi)的平均值；

an、bn分別為FFT變換后所得頻域復(fù)數(shù)的實部與虛部。

假設(shè)采樣頻率為fs，采樣點數(shù)為N，采樣到的時域離散數(shù)據(jù)集為{fk（}k=0, 1, …,N） ；則經(jīng)FFT變換后，可得頻域序列{fn}（n=0, 1, …,N），其為N個復(fù)數(shù)；每一點對應(yīng)的頻率為，頻率分辨率為fs/N；各頻點對應(yīng)的幅度為。因市電的基礎(chǔ)頻率為50 Hz，節(jié)能燈線路的信號頻率主要分布在50～150 Hz之間[8]，依據(jù)采樣定理，兼顧STM32處理器的運算能力，擬定采樣點數(shù)取256點，采樣頻率取512 Hz。

2.2 算法的仿真分析

選用前面設(shè)計的信號采集裝置，以厚度為3 cm，質(zhì)地為木質(zhì)的擋板模擬墻面，并在木板的一面布設(shè)照明電線。設(shè)計的照明線路探測儀采集裝置緊貼木板的另一面，位于線路的正上方，設(shè)置信號預(yù)處理電路的前端放大增益為50倍左右，后端濾波放大增益為80倍左右，以512 Hz的采樣頻率，采樣點數(shù)為256點，分別對60 W白熾燈、15 W節(jié)能燈單獨存在與兩者混合存在時的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采樣數(shù)據(jù)通過串口上傳到PC機(jī)分別保存。

將以上3種情況下采集到的實驗數(shù)據(jù)，借助于Matlab 2010軟件的FFT工具箱，進(jìn)行FFT變換并且進(jìn)行信號頻譜分析，所得到的對應(yīng)幅頻特征曲線圖分別如圖4～6所示。

圖4 僅有白熾燈頻譜分析Fig. 4 Frequency spectrum of incandescent lamps

由圖4所示幅頻特征曲線可以得知，白熾燈在50 Hz頻點處幅度值最大，而其它頻點的幅度極其微弱，經(jīng)過多次實驗測試得知，50 Hz頻點處的幅度值均分布在2.88～3.50 V；而其它頻點的幅度值均小于0.5 V，多次實驗測試均得到這一結(jié)果，且該結(jié)果與白熾燈為純阻性負(fù)載特性相對應(yīng)。

圖5 僅有節(jié)能燈頻譜分析Fig. 5 Frequency spectrum of energy-saving lights

由圖5所示幅頻特征曲線可以得知，節(jié)能燈的頻點能量主要分布在50, 100, 150 Hz處，且經(jīng)過多次實驗測試得知，其50 Hz的幅度值分布在2.88～3.50 V，100, 150 Hz的幅度值均大于0.63 V，多次實驗測試均得到這一結(jié)果。

圖6 節(jié)能燈與白熾燈共存頻譜分析Fig. 6 Frequency spectrum of mixed signals

由圖6所示幅頻特征曲線可以得知，當(dāng)白熾燈、節(jié)能燈混合存在時，50 Hz頻點的幅度值大于3.5 V，且100, 150 Hz頻點對應(yīng)的幅度值均大于0.6 V，多次實驗測試均得到這一結(jié)果。

依據(jù)以上仿真實驗分析結(jié)果，設(shè)計如下所述照明線路探測儀的線路識別方法：

1）若50 Hz頻點的幅度值大于2.88 V，且100,150 Hz頻點對應(yīng)的幅度值均小于0.5 V，則認(rèn)為僅有白熾燈照明線路存在；

2）若50 Hz頻點的幅度值大于2.88 V，且100,150 Hz頻點對應(yīng)的幅度值均大于0.6 V時，則認(rèn)為僅有節(jié)能燈照明線路存在；

3）若50 Hz頻點的幅度值大于3.5 V，且100,150 Hz頻點對應(yīng)的幅度值均大于0.6 V時，認(rèn)為白熾燈照明線路與節(jié)能燈照明線路共同存在。

2.3 算法的STM32實現(xiàn)

所設(shè)計照明線路探測儀系統(tǒng)的大致工作流程是采樣→濾波→FFT變換→求解50, 100, 150 Hz 3個頻點的幅值→與設(shè)定的閾值比對→得出線路識別結(jié)果。考慮到STM32F103ZET6的運算能力及系統(tǒng)的實時性要求，A/D采樣設(shè)定為DMA數(shù)據(jù)存取方式，因而在DMA數(shù)據(jù)存取過程中，CPU可進(jìn)行其它數(shù)據(jù)處理運算。在數(shù)據(jù)采樣時，為了進(jìn)一步抑制噪聲信號的影響，加入了數(shù)字濾波算法。考慮到所采集的信號為慢變周期信號，且易受外界的隨機(jī)干擾而導(dǎo)致采樣失真，并鑒于中值濾波算法運算簡單、運算量較小，且對隨機(jī)干擾有較好的抑制能力，因此，選用中值濾波算法作為本線路探測儀系統(tǒng)的濾波算法[9-12]。

為了簡化FFT算法移植過程中的編程工作，本研究采用STM32官方DSP（digital signal processing）庫進(jìn)行算法移植。查看使用文檔可以得知，當(dāng)主頻為72 MHz時，64點FFT變換的時間約為0.078 ms，1 024點FFT變換僅需2.138 ms，由此可見，變換時間能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。由2.1節(jié)可以得知，照明線路探測儀的系統(tǒng)為256點的FFT變換，因此分析時只需將官方庫中stm32_dsp.h、table_fft.h以及cr4_fft_256_ stm32.s 3個文件添加到工程的源文件中。進(jìn)行FFT變換時只需調(diào)用庫函數(shù)cr4_fft_256_stm32(FFTOUT, DATEIN, T)便可實現(xiàn)，其中DATEIN為輸入數(shù)據(jù)的數(shù)組指針，T為變換數(shù)據(jù)的點數(shù)，F(xiàn)FTOUT為輸出數(shù)據(jù)的數(shù)組指針，該數(shù)組中每個元素的數(shù)據(jù)格式為：高16位存儲虛部，低16位存儲實部。變換結(jié)果數(shù)據(jù)FFTOUT[1]、FFTOUT[2]、FFTOUT[3]分別與50, 100, 150 Hz 3個頻點對應(yīng)，將每位數(shù)據(jù)的高16、低16位拆分為每個頻點對應(yīng)復(fù)數(shù)的虛部與實部，按2.1節(jié)中的幅度求解方法計算出50, 100, 150 Hz 3個頻點的幅度值，并與2.2節(jié)中所設(shè)定的閾值進(jìn)行比對，最終得出線路類型。

3 整體測試結(jié)果分析

按照上述方法將系統(tǒng)進(jìn)行軟件、硬件整合后，以厚度為3 cm，質(zhì)地為木質(zhì)的擋板模擬墻面，在木板的一面布設(shè)照明電線，巨磁電阻掃線探頭起初緊貼木板的另一面，線纜位于探頭中心的正下方，且以1 cm為基本步長，逐步加大探頭與線纜的中心之間的距離。分別對僅有60 W白熾燈、僅有15 W節(jié)能燈單獨存在及兩者混合存在時的情況下，進(jìn)行掃線測試實驗，所得測試結(jié)果如表1所示。

表1 照明線路測試結(jié)果Table1 Test results of the lighting circuit

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，僅有60 W白熾燈線路存在時，在3～4 cm的間距內(nèi)，照明線路探測儀的識別正確度為100%。僅有15 W節(jié)能燈線路存在時，要想達(dá)到識別正確度為100%，距離需控制在3 cm以內(nèi)。二者混合存在時，在3～4 cm的間距內(nèi)，識別正確度也為100%；且在5 cm間距時，識別正確度仍可高達(dá)80%。測試實驗證實局部范圍中所存在的線路，所接負(fù)載的功率越大越容易識別?？傊疚幕贔FT頻譜分析所設(shè)計的照明線路探測儀能在3～4 cm的間距內(nèi)準(zhǔn)確地實現(xiàn)有無通電線路及線路負(fù)載為白熾燈還是節(jié)能燈的區(qū)分，為照明線路探測儀的設(shè)計提供了參考方案。

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)照明暗線的探測，減少盲目施工的觸電隱患。以巨磁電阻為基本探測元件，基于FFT變換，借助Matlab軟件對照明線路產(chǎn)生的磁場信號進(jìn)行了頻域分析，仿真結(jié)果顯示，節(jié)能燈與白熾燈線路的信號頻譜存在明顯的差異，依據(jù)這一差異，通過對50, 100, 150 Hz 3個頻點的幅值設(shè)置合理的區(qū)分閾值區(qū)間，可實現(xiàn)節(jié)能燈與白熾燈通電線路的識別區(qū)分。最后，將其移植到STM32 STM32F103ZET6中進(jìn)行整體測試，多次實驗結(jié)果均證實本文所設(shè)計的照明線路探測儀能在3～4 cm的間距內(nèi)準(zhǔn)確地實現(xiàn)有無通電線路及線路負(fù)載為白熾燈還是節(jié)能燈的區(qū)分，為照明線路探測儀的設(shè)計提供了參考方案。

后續(xù)研究需從傳感器探頭的靈敏度以及識別距離方面進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 權(quán)曉紅. 基于巨磁電阻的照明線路探測裝置[J]. 自動化與儀器儀表，2014(2)：66-67，69.QUAN Xiaohong. The Detection Device of GMR Based on Lighting Circuit[J]. Automation & Instrumentation，2014(2)：66-67，69.

[2] 楊建強(qiáng)，廖 丹. 高精度差動放大器AD620構(gòu)成的四頻差動激光陀螺數(shù)字穩(wěn)頻系統(tǒng)[J] . 電光與控制，2009，16(7)：62-64.YANG Jianqiang，LIAO Dan. A Digital Frequency Stabilizing System Consisting of High Precision Differential Amplifier AD620 for Four Frequency Differential Laser Gyro[J]. Electronics Optics &Control，2009，16(7)：62-64.

[3] 呂德深，梁承權(quán). 基于雙單片機(jī)的簡易照明線路探測儀[J]. 電子世界，2016，28(7)：127-129.LDeshen，LIANG Chengquan. Design of Lighting Line Detector Based on Double MCU[J]. Electronics World，2016，28(7)：127-129.

[4] 房國志，楊 超，趙 洪. 基于FFT和小波包變換的電力系統(tǒng)諧波檢測方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(5)：75-79.FANG Guozhi，YANG Chao，ZHAO Hong. Detection of Harmonic in Power System Based on FFT and Wavelet Packet[J]. Power System Protection and Control，2012，40(5)：75-79.

[5] 牟龍華，邢錦磊. 基于傅里葉變換的精確頻率測量算法 [J]. 電力系統(tǒng)自動化，2008，32(23)：67-70，94.MU Longhua，XING Jinlei. An Accurate Frequency Measuring Algorithm for Power Systems Based on Fourier Transform[J]. Automation of Electric Power Systems，2008，32(23)：67-70，94.

[6] 張同尊，邵俊松，方勇杰. 一種基于離散傅里葉變換的頻率測量算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2007，31(22)：70-72.ZHANG Tongzun，SHAO Junsong，F(xiàn)ANG Yongjie. An Algorithm for Frequency Measurement Based on DFT[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31(22)：70-72.

[7] 江亞群，何怡剛. 基于自適應(yīng)短時傅立葉變換的電頻率跟蹤測量算法[J]. 電子測量與儀器學(xué)報，2006，20(2)：10-15.JIANG Yaqun，HE Yigang. New Digital Algorithm for Measuring Electric Frequency Based on Adaptive Short-Time Fourier Transform[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument，2006，20(2)：10-15.

[8] 張明洋. 基于DSP的照明線路探測儀設(shè)計[J]. 長春大學(xué)學(xué)報，2015，25(10)：21-26.ZHANG Mingyang. Design of Lighting Circuit Detector Based on DSP[J]. Journal of Changchun University，2015，25(10)：21-26.

[9] 王曉凱，李 鋒. 改進(jìn)的自適應(yīng)中值濾波[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(3)：175-176.WANG Xiaokai，LI Feng. Improved Adaptive Median Filtering[J]. Computer Engineering Application，2010，46(3)： 175-176.

[10] LEE Y H，KASSAM S A. Generalized Median Filtering and Related Nonlinear Filtering Techniques[J].IEEE Transactions on Acoustics Speech and Signal Processing，1985，33(3)：672-683

[11] LIN H，WILLSON A N J. Median Filter with Adaptive Length[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems，1988，35(6)： 675-690.

[12] HWANG H，HADDAD R A. Adaptive Median Filters：New Algorithms and Results[J]. IEEE Transactions on Image Processing A Publication of the IEEE Signal Processing Society，1995，4 (4)：499-502.

（責(zé)任編輯：廖友媛）

A Research on Light Circuit Detectors Based on FFT and STM32

ZHANG Xihong，WANG Yuxiang
（Department of Electrical and Electronic Engineering，Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou Anhui 236800，China）

A lighting circuit detector has been designed, with an aim to detect different load types of lighting wiring, and reduce the potential risk of electric shock accidents from random construction. The detector, based on the principle of electromagnetic induction, incorporates the giant magneto-resistance as the basic detection device, and improves the circuit of ampli fi er and fi lter to realize the collection of the signal. With STM32 its processing units, the detector has undergone an FFT transformation for the collection of signals, followed by a spectrum analysis to realize lighting wiring between different load types. After repeated experiments, the obtained results show that the designed circuit can make a distinction between the ef fi cient light-bulbs and the fi lament lamps within the scope of 3～4 cm and identify the presence or absence of the circuit load.

FFT transformation；giant magneto-resistance；lighting circuit

TM938.8

：A

：1673-9833(2017)03-0053-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.03.009

2016-12-20

安徽省教育廳教學(xué)研究基金資助重點項目（2015jyxm535），亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究基金資助項目（2015bzjyxm01）

張喜紅（1983-），男，山西朔州人，亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，山東大學(xué)訪問學(xué)者，主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程，E-mail：zhangxihong1983@163.com