基于高壓電網在監測系統中的設計

盧 武

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266510）

基于高壓電網在監測系統中的設計

盧 武

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266510）

本系統采用小波變換方法分析周界報警信號，通過單片機對多機通信網絡的主從形式，應用高速16位新型單片機作為下位機，對模擬電壓進行數據采集，通過RS-485總線進行通信，實現了監控系統，方便、快捷、先進的開發和運行平臺。

光纖傳感器；小波分析；dsPIC33F單片機；A/D轉換

0 引言

為了防止風雨對光纖傳感器產生的誤報警的干擾，本論文采用小波變換的方法在有效濾除噪聲的同時，并不損壞信號中的突變部分，能很好的區分開蓄意入侵信號和風雨所引起的振動，大大減小了誤報率，還可以對入侵信號定位，在技術上有了新的提高。使周界高壓電網監控系統可以在監獄的電網報警中更加準確，運行更加可靠。為了能夠將采集到的高壓電網的電壓、電流的數據顯示在LCD上，迅速的對報警做出相應的動作，并對數據進行顯示，針對周界報警系統輸出信號的問題，以數字信號處理器dsPIC33F系列器件作為它的控制核心，通過圖形監控界面能及時顯示報警位置和報警類型，并對報警時的數據進行記錄。系統總體框圖如圖1所示：

圖1 系統總體框

1 硬件系統設計

圖2 硬件模塊框

該系統硬件主要有數據采集模塊、數據處理模塊、通信模塊、電源模塊以及上位機監控等模塊組成。儀表采用Microchip公司的高速16位新型單片機dspic33fj128gp708，分別采集電壓、電流和溫度的信號，通過RS485將實時數據上傳至上位機。DsPIC33F系列用于高性能、高容量和高存儲的DSC產品。dsPIC33FJ128GP708微處理器采用了改進型的哈佛結構，具有增強指令集，其中包含DSP的強大支持。

由于所處的環境比較惡劣，周圍環境對系統影響巨大，所以回顯系統必然會受到各種外界環境的干擾。這些干擾會直接影響到系統采樣的精度和回顯的可靠性工作，在采樣中，數字輸出代碼中有關輸入信號的有用信息就會減少。采用小波變換，由于尺度的不同，時間和頻率分辨率也不同，因而對入侵信號和風雨引起的振動信號將分解在不同的區域里。實驗中，我們只需要對小波變換的離散值進行分析，就可以判斷出在受到風雨的干擾下是否有蓄意入侵。

小波變換在時域和頻域中具有很好的局部化性質，對時域和頻域的分辨率較好的解決，準確的定位時間軸上的頻率間斷位置，對離散小波中發生的蓄意入侵信息和所體現的時間都包括在細節系數中。微處理器以dsPIC33FJ128GP708單片機為核心，dsPIC33FJ128GP708單片機具有12位A/D轉換模塊。在周界高壓電網中，數據采集在整個控制系統中起到了關鍵的作用，因此我們將采用dsPIC33FJ128GP708單片機自帶的12位AD模數轉換器，對所形成的三路電壓進行采集，通過循環的方法，將采集到的4次數據進行存放，然后在緩沖器中對存放的數據求其平均值得出結果。以上實驗可知，這種方法可以用在大量數據采集系統中。

2 軟件設計系統

系統軟件設計主要有小波變換的分解和A/D轉換部分，實現各部分的功能。

2.1 小波變換的分解

當前還沒有一定的理論標準用小波函數進行信號的分析與處理。基于理論基礎，對周界報警信號進行分析，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，消失矩階數越大，頻帶劃分效果越好，用于周界報警的信號處理。由于階數過小，其消失矩階數小，劃分的頻帶比較粗糙，階數大時，頻帶劃分效果好，但增加了計算時間，所以選擇采用db8小波，來更好的體現小波基的正交性。

2.2 小波變換的分析結果

（1）db8小波函數對穩態諧波信號和非穩態諧波信號能夠快速有效的得到，并且直觀地反應出他們突變前后的諧波次數、幅值變化的大小等諧波信息，因此在周界高壓電網中能夠及時的體現出來蓄意入侵信號。

（2）在周界報警信號中，，蓄意入侵信號和風雨的振動信號為了防止誤導，應該不能被同時劃分在一個尺度下。由于小波變換分解在不同的區域具有不同的時頻分辨率，因此，只要對小波函數分解后的離散值進行處理和分析，是否有蓄意入侵和受到風雨的干擾就能精確的判斷出來。

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

（4）傅里葉變換是全局的變換，函數的各個點的值都對變換后的結果有影響。小波使用的是局部基，對某個基的系數來說，函數只有在這個基的支撐上的點才對該系數有影響。

2.3 A/D轉換的過程：

為了能夠反映出實際的數據，進行對三路模擬電壓采樣，如圖3所示，首先對端口、定時器進行初始化，RB4-RB6作為三路模擬電壓的輸入端口，開啟A/D轉換，每次采樣一路電壓就進行模數轉換；把采樣來的轉換結果保存在緩沖區（ADC1BUF）中，保存完成后進行下一路的采樣。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，并產生一次中斷，根據所需的要求，通過計算每一路的平均值將其作為接近實際中的電壓值，求得結果，最后經過LCD液晶屏把所得值顯示在上面。

圖3

3 結語

本系統采用小波變換方法分析周界報警信號，通過新型單片機對多機通信網絡的主從形式，根據dsPIC33FJ128GP708單片機本身具有的數字信號處理能力，采用12位AD模數轉換對數據進行采集和處理，并且通過RS-485總線接收所得到的數據，實現了在周界中監控系統，使整個過程更加的方便、快捷、可靠，運行平臺更加的完美。

［1］張建國，曹銀杰.智能化電子圍欄系統的設計研究［J].科技信息，2009（35）.