王磊

摘 要：本文結(jié)合內(nèi)蒙古烏海電業(yè)局濱河供電分局的工作實(shí)踐，提出了一種基于電磁感應(yīng)傳感器以及壓電傳感器的雙傳感器電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在簡(jiǎn)單說(shuō)明總體設(shè)計(jì)思路的條件下，以硬件部分以及軟件程序部分為切入點(diǎn)，對(duì)這一電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述與介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：電力電纜;故障精確定點(diǎn)檢測(cè);信號(hào)降噪

引言：為了確保能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電力電纜實(shí)際運(yùn)行中所發(fā)生故障的位置，對(duì)相應(yīng)位置信息實(shí)施精確點(diǎn)定位是必然選擇，而由于在故障檢測(cè)過(guò)程中所產(chǎn)生、采集到的聲音信號(hào)極容易受到外界環(huán)境多種因素的干擾，所以需要設(shè)計(jì)一種能夠完成聲音信號(hào)背景降噪的系統(tǒng)展開對(duì)電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)任務(wù)的系統(tǒng)。

一、電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路分析

在本次設(shè)計(jì)的電力電纜故障精確點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中，其主要包括壓電傳感器、電磁感應(yīng)傳感器、跨步電壓金屬探針、濾波放大電路、隔離放大電路、核心板（集成ARM Cotter-A9處理器、SDRAM、Flash等資源）等結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的檢測(cè)，并顯示聲磁時(shí)間差以及跨步電壓信息，輸出背景噪音以及音頻等等。在跨步電壓金屬探針的支持下，可以完成對(duì)跨步電壓信號(hào)的接收，經(jīng)過(guò)隔離放大電路后，所有采集到的信號(hào)會(huì)被隔離與放大;通過(guò)LCD能夠顯示出跨步電壓大小以及方向信息。

二、電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）信號(hào)調(diào)理電路

對(duì)于跨步電壓金屬探針、電磁感應(yīng)傳感器以及壓電傳感器來(lái)說(shuō)，其所接收到的模擬信號(hào)相對(duì)微弱，因此要利用信號(hào)調(diào)理電路處理相應(yīng)信號(hào)，并以此獲取到信噪比更高的信號(hào);將該完成處理后的信號(hào)傳遞至A/D轉(zhuǎn)換器中，即可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)處理提供更好支持[1]。其中，針對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)，其能夠更為簡(jiǎn)單的被檢測(cè)到，且不容易受到其他因素干擾，所以可以經(jīng)過(guò)放大電路處理后即可傳遞至后續(xù)應(yīng)用分析操作。而針對(duì)聲音信號(hào)，其普遍為低頻信號(hào)（頻率維持在15kHz以下），因此需要應(yīng)用靈敏度更高的壓電傳感器（頻響范圍穩(wěn)定在0.2-2kHz）進(jìn)行接收。但是，壓電傳感器一般存在著內(nèi)電阻相對(duì)較高的情況，所以必須要加設(shè)電荷放大器（使用前置操作）實(shí)施調(diào)理，促使電荷量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫恐笤谶M(jìn)行后續(xù)處理。基于這樣的前置處理，導(dǎo)致聲音信號(hào)受到多種因素干擾的現(xiàn)象更加常見，所以要加設(shè)低通濾波器實(shí)施濾波處理。

在施加于電力電纜中的脈沖高壓信號(hào)呈現(xiàn)出增高的趨勢(shì)時(shí)，故障點(diǎn)周圍一般會(huì)生成瞬時(shí)跨步電壓，由于其數(shù)值相對(duì)較高，所以容易導(dǎo)致儀器損壞。為了避免這一問(wèn)題的發(fā)生，設(shè)置隔離放大電路實(shí)施對(duì)跨步電壓金屬探針接收到的信號(hào)展開調(diào)理。

（二）A/D轉(zhuǎn)換電路

處理器與外界模擬信號(hào)之間依托A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)連接，實(shí)踐中，主要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳遞至CPU展開后續(xù)處理。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用型號(hào)為AD7689的A/D轉(zhuǎn)換芯片，結(jié)合SPI接口的加設(shè)，能夠?qū)ε渲眉拇嫫?、接收轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)實(shí)施直接寫入。

在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一共存在6路需要A/D轉(zhuǎn)換芯片的支持完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。其中，壓電傳感器所采集的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后連接至兩路通道，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊放電聲起始點(diǎn)的判斷，以及在算法的支持下完成背景降噪;電磁感應(yīng)傳感器設(shè)置數(shù)量為兩個(gè)，橫向放置一個(gè)、豎向放置一個(gè)，其所采集到的磁場(chǎng)信號(hào)在通過(guò)放大處理后連接至兩路通道，主要承擔(dān)起3對(duì)電力電纜路徑實(shí)施檢測(cè)的任務(wù);對(duì)于使用橫向放置方法引入電磁感應(yīng)傳感器來(lái)說(shuō)，其所采集到的磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)再次經(jīng)過(guò)放大處理，并連接至單獨(dú)的一條通道，主要承擔(dān)起是否接收沖擊放電磁場(chǎng)信號(hào)、起始點(diǎn)的判斷職責(zé);跨步電壓金屬探針?biāo)杉降碾妷盒盘?hào)在經(jīng)過(guò)隔離放大處理后連接至獨(dú)立的一條通道，主要承擔(dān)起對(duì)跨步電壓大小、極性進(jìn)行計(jì)算的任務(wù)。

（三）數(shù)據(jù)處理模塊

在本系統(tǒng)的核心板內(nèi)包含著數(shù)據(jù)處理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜圖形（2D圖形、3D圖形）、高質(zhì)量音頻展開處理的效果。對(duì)于該數(shù)據(jù)處理模塊來(lái)說(shuō)，其具有相對(duì)明顯的集成性，且擁有良好的多媒體性能，因此可以為用戶帶來(lái)更加良好的使用體驗(yàn)。在本系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，主要應(yīng)用該數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片所輸出的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)、沖擊放電聲音展開處理，以此達(dá)到降低聲音信號(hào)噪的效果，并同時(shí)完成對(duì)聲磁時(shí)間差的計(jì)算、電纜路徑的判斷、對(duì)LCD顯示實(shí)施控制，最終依托人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻的輸出等等。

（四）數(shù)據(jù)輸出模塊

對(duì)于數(shù)據(jù)輸出模塊而言，其主要承擔(dān)著對(duì)經(jīng)過(guò)CPU處理后的數(shù)字量信息展開輸出操作的任務(wù)，用戶可以將此作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜故障點(diǎn)位置的精準(zhǔn)判斷[2]。在數(shù)據(jù)輸出模塊中，可以細(xì)化為L(zhǎng)CD輸出單元以及音頻輸出單元這兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)。其中，本系統(tǒng)主要選用TFT LCD（規(guī)格為3.5寸，分辨率為3220RGB×240）、一體化LCD驅(qū)動(dòng)器作為L(zhǎng)CD輸出單元，通過(guò)對(duì)輸入端PMW波的占空比實(shí)施調(diào)整變化，即可落實(shí)對(duì)LCD背光度的迅速調(diào)節(jié)。

三、電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)程序

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，GPIO驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程主要如下：將imx6_g pics節(jié)點(diǎn)設(shè)置于設(shè)備樹內(nèi)，同時(shí)設(shè)定屬性名稱并配置GPIO引腳;落實(shí)GPIO驅(qū)動(dòng)文件的新建，并開設(shè)compatible屬性用以匹配節(jié)點(diǎn);創(chuàng)設(shè)probe函數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)置的GPIO編號(hào)進(jìn)行獲取，實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)GPIO、初始化GPIO等功能;創(chuàng)設(shè)ioctl函數(shù)，對(duì)相同調(diào)用命令實(shí)施定義，實(shí)現(xiàn)控制GPIO口電平的功能;編制Makeflie定義編譯規(guī)則，應(yīng)用make命令將驅(qū)動(dòng)編譯成ko內(nèi)核模塊;通過(guò)xftp將其移動(dòng)到目標(biāo)板，在xshell中應(yīng)用insmod命令加載并調(diào)試;調(diào)試完成后將驅(qū)動(dòng)移動(dòng)至內(nèi)核，利用內(nèi)核配置命令配置到內(nèi)核，編譯生成dtb和zImage文件;通過(guò)mfgtools工具燒寫到Flash[3]。

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程主要如下：在linux-imx4.1.15-r0內(nèi)核中注入在NXP官方獲取到的LCD 8080模式補(bǔ)丁;對(duì)mx sfb.c以及mx sfb.h文件進(jìn)行修改，對(duì)ioctl函數(shù)實(shí)施重寫;創(chuàng)建LCD控制器驅(qū)動(dòng)ssd2119.c，實(shí)現(xiàn)用于初始化LCD寄存器、設(shè)置lcd接口模式和硬件參數(shù)的函數(shù);配置設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)，編譯成內(nèi)核模塊，并在完成調(diào)試后加載至內(nèi)核中。

（二）應(yīng)用程序

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主流程如下所示：線程A進(jìn)入啟示階段;實(shí)施初始化，新建并開啟定時(shí)器與線程B;判斷線程B是否發(fā)出信號(hào)，如“是”，則與該信號(hào)連接的槽函數(shù)將線程B處理得到的數(shù)據(jù)輸出至LCD以及耳機(jī)，如“否”，跳過(guò)這一操作直接轉(zhuǎn)入后續(xù)步驟;判斷定時(shí)器是否出現(xiàn)超時(shí)問(wèn)題，如“否”，則返回“判斷線程B是否發(fā)出信號(hào)”這一操作，如“是”，則進(jìn)入后續(xù)操作步驟;執(zhí)行刷屏、電量、按鍵或是引腳電平的檢測(cè)函數(shù)，如果檢測(cè)到引腳或者是電量的電平存在變化，那么執(zhí)行相關(guān)處理函數(shù);判斷長(zhǎng)按關(guān)機(jī)鍵3秒或是電量電量低于5%，如“否”，則返回“判斷線程B是否發(fā)出信號(hào)”這一操作，如“是”，則進(jìn)入線程A與線程B的結(jié)束操作。

總結(jié)：綜上所述，本文依托雙傳感器（電磁感應(yīng)傳感器以及壓電傳感器）進(jìn)行了電力電纜故障精確檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，細(xì)化設(shè)計(jì)了硬件部分，包括引入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、輸出模塊等等;細(xì)化設(shè)計(jì)了軟件程序部分，包括驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)故障檢測(cè)中所采集到所到所有聲音信號(hào)的降噪處理，進(jìn)一步維護(hù)故障信號(hào)的精準(zhǔn)程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]白曉斌，王亮，楊軍，等.電力電纜故障精確定點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電線電纜，2021（03）：32-34+40.

[2]胡立錦，楊永全.基于機(jī)器視覺技術(shù)的電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].四川電力技術(shù)，2020，43（06）：16-20.

[3]吳甜甜，楚彩虹，韋成杰.基于LabVIEW的電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦（理論版），2020，32（22）：110-111.

（內(nèi)蒙古烏海電業(yè)局濱河供電分局，內(nèi)蒙古 烏海 016000）