基于DSP與ZigBee的電纜絕緣狀態監測系統設計

孫中皋 王新軍 李夢軻

摘 要：工礦開采設備在較為惡劣的環境中長期運轉易造成電纜絕緣老化，通過檢測電纜絕緣狀態可排除安全隱患。傳統絕緣狀態監測系統大多采用有線方式，布線難度大。因此設計一種基于DSP與ZigBee技術的絕緣狀態實時無線監測系統。該系統采用TMS320F28335為主控器，對采集的電壓和電流信號進行同相計算，并將計算得到的電阻值通過串口傳送給ZigBee模塊進行壓縮打包，通過多跳方式傳送至監測終端進行顯示、存儲并發出預警信息。系統軟件部分采用C語言設計實現。測試結果表明，該系統檢測精度高、實時性好，具有一定的應用價值。

關鍵詞：絕緣狀態;TMS320F28335;ZigBee;實時監測

DOI：10. 11907/rjdk. 201068 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0139-04

Abstract：The mining equipment often operates in a severe environment， which is easy to cause the cable insulation aging. The hidden dangers can be eliminated by detecting the insulation state of the cable. The traditional insulation monitoring system mostly adopts wired mode， which makes wiring difficult. To solve this problem， this paper designs a real-time wireless monitoring system of insulation state based on digital signal processing （DSP） and ZigBee technology. The system uses TMS320F28335 as the main controller， carries on the same phase to the collected voltage and current signals， and transmits the calculated resistance value to ZigBee module through the serial port. ZigBee module compresses and packs the received data， and transmits it to the monitoring terminal through the multi hop mode. The terminal equipment can display， store and alarm. The software part of the system is designed and implemented with C language. The test results show that the system has high detection accuracy， good real-time performance and certain application value.

Key Words：insulation status; TMS320F28335;ZigBee; real time monitoring

0 引言

工礦開采設備工作環境惡劣，高壓電纜絕緣材料極易老化失效[1]，使電纜出現故障。提前確保電纜絕緣處于良好狀態可保證設備穩定運行，消除安全隱患，提升作業安全性。目前電纜絕緣狀態在線監測方式主要有直流分量法、直流疊加法、局部放電測量法和接地線電流法等[2]。葉冠豪等[3]采用直流分量法，通過測量電纜水樹枝在長期交流工作電壓下發生整流效應從而產生微弱的直流漏電流大小，反映電纜絕緣材料老化程度，但由于水樹枝只存在于部分電路中，該方法適用范圍有限;李三旦[4]采用直流疊加法，將50V低壓直流電疊加在電纜工作時的內部交流電上，通過判斷電纜絕緣層微弱的直流電流確認電纜絕緣材料老化程度，但該方法易導致電壓互感器產生零序電壓，使繼電器發生誤判;顧朝敏等[5]采用局部放電法，對電纜施加高壓，觀察電纜中存在的雜質、縫隙等引起的局部放電現象，根據放電信號強度判斷電纜絕緣狀態，但由于局部放電的電信號十分復雜，該方法無法實現在線監測;程琳等[6]采用接地電流法，通過監測接地電流反映絕緣電阻狀況，該方法實現了電纜無損傷監測，易于實現。

隨著微處理器在工業中的應用越來越廣泛，采用單片機等微處理器進行絕緣狀態監測的方法提升了結果可靠性。王婷[7]將MSP430單片機與GPRS相結合，采集電纜絕緣電阻值，并采用ZigBee技術采集絕緣溫度用于判斷異常位置信息;蘇文[8]以DSP為主控器采集礦用高壓電纜特征參數，并通過RS485總線將數據傳輸至監測終端。本文將DSP和ZigBee技術與現有在線監測技術融合，搭建一種高壓電纜絕緣電阻實時無線監測系統，該系統通過電壓互感器、電流互感器和溫濕度傳感器采集電纜參數特征，DSP對數據進行同相、計算等處理后發送給ZigBee模塊，之后數據經過無線多跳傳輸后發送至監測終端。

1 系統總體方案

電纜絕緣狀態實時無線監測系統總體設計如圖1所示，分為信號采集模塊、DSP主控制器及ZigBee無線傳輸單元3部分。信號采集模塊主要采集電纜電壓與電流信號，并將信號調理至合適范圍，送至DSP片內的AD轉換器，另一路信號經過方波轉換電路轉化為方波信號發送至DSP的eCAP單元，用于同相計算。DSP主控制器負責將信號轉換為數字信號，對電壓和電流信號進行同相處理，并計算出絕緣電阻值，與溫濕度信息一起傳送給ZigBee模塊。ZigBee無線傳輸單元將采集的電纜參數通過無線多跳的方式傳送至監測終端節點，再通過串口上傳至上位機。

2 系統硬件設計

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊由交流互感器、增益放大電路、穩壓電路及方波轉換電路組成，主要功能是將采集的電壓和電流信號調理至合適的數值范圍，包括電壓信號調理轉換電路及電流調理轉換電路兩部分。電壓調理轉換電路原理如圖2所示，電纜電壓信號經電壓互感器TV1005-1M傳送至增益放大器，電阻R17控制互感器輸出的電壓范圍。

增益放大電路主要由運算放大器AD620芯片組成，電阻R11與R14相結合控制AD620輸出信號幅度為-1.5V～+1.5V。放大后的電壓信號由四路運算放大器LM324組成的加法電路提升到0～3V，其中二極管D14和D15的作用是確保電壓輸出范圍在0～3V，保障DSP的ADC模塊正常運行。同時將已調理的電壓信號送入由施密特觸發器CD4093B組成的方波轉換電路，將正弦電壓信號轉換成方波信號，送入DSP的eCAP單元提取信號周期并進行相位檢測。

電流調理轉換電路與電壓調理轉換電路相似，如圖3所示。不同之處為信號采集采用電流互感器TA1015，由于電流互感器輸出的電流十分微弱，因此電流調理轉換電路中的增益放大部分對信號的放大接近1 000倍，而電壓調理轉換電路中的放大倍數為2～3倍。兩個調理轉換電路中的放大倍數作為參數在軟件中參與絕緣電阻計算，從而保證絕緣電阻值計算準確。

2.2 DSP主控模塊

2.2.1 DSP選型

系統采用TMS320F28335的DSP芯片作為主控制器。TMS320F28335以功耗低、片上資源豐富等特點在工業控制領域得到廣泛運用。TMS320F28335的32位浮點運算能力可完成較高精度的數據處理，150MHz的主頻可保證控制器完成高頻數據采集和分析。TMS320F28335片內的12位AD轉換模塊滿足本文系統測量精度需求，且具有兩路采樣保持器，保證了系統對電壓信號和電流信號同時進行采集的設計需求。此外，TMS320F28335芯片特有的片內增強型脈沖捕獲模塊eCAP可迅速捕獲輸入端口的電平狀態及脈沖，滿足本文系統對電壓和電流方波信號進行同相處理的需求。

2.2.2 相位同步及絕緣電阻計算

保證電壓和電流相位同步是精準計算絕緣電阻阻值的前提，且礦用電纜工作電壓多為高頻，增加了相位檢測難度[9]。如圖4所示，假設電壓信號和電流信號相位差為[Δθ]，本文采用相位同步方法對電壓信號和電流信號進行同步并計算絕緣電阻，具體步驟為：①假設AD轉換器采樣頻率為[f]，則經AD轉換后得到的數字信號的數據點時間間隔為[ΔT=1/f];②采用eCAP分別捕獲電壓和電流方波信號跳變脈沖，計算兩個信號上升沿跳變時間間隔，記為[Δt];③將滯后的信號數據向前移動[Δn=ΔtΔT]個數據位，得到相位同步后的電壓和電流信號;④采用文獻[8]提出的基于模型參數識別的絕緣電阻測量方法求出絕緣電阻值。

2.2.3 溫濕度采集

系統利用溫濕度傳感器DHT11采集監測環境溫度和濕度信息，采集數據以串行通訊方式送入DSP。

2.3 ZigBee無線傳輸單元

ZigBee無線通信具有低功耗、短距離高速傳輸的特點。為遠距離傳輸數據，可采取多個ZigBee節點以接力的方式傳輸，各節點遵循同樣的通訊協議，構成一個數據傳輸組織網絡[10-14]。無線傳輸網絡有多種拓撲類型，本文系統節點網絡采用線性拓撲設計[15]，即采用一對一節點傳輸，節點在部署時可成一定角度，不需要嚴格按照直線分布，該方式適用于曲折的礦井隧道等環境。

本系統傳輸節點采用TI公司的CC2530F256芯片，該芯片具有功耗低、片上資源豐富的特點，是理想的傳感器節點處理器芯片。傳輸節點預先部署在礦井隧道沿線，經過DSP處理后的數據，采用ZigBee協議進行數據多跳傳輸[16]，最終數據經CC2530通用IO口串行方式傳至上位機。

3 系統軟件設計

系統軟件設計總體流程如圖5所示。系統軟件主要由3部分組成：軟硬件初始化、基于DSP的數據采集和處理、基于ZigBee的數據傳輸。

3.1 系統初始化

系統上電后，DSP片內Flash軟件程序開始運行，隨后調用各硬件模塊初始化程序，按照預先設定的參數對各模塊進行初始化。硬件初始化模塊有DSP的IO口、中斷模塊、A/D轉換模塊、eCAP模塊及ZigBee發送和傳輸模塊。

3.2 數據采集與處理

對于經外圍調理轉換電路傳至DSP的電壓和電流信號，系統首先采用相位同步算法計算出電壓、電流信號的相位差，結合相位差信息，對電壓數據或電流數據進行整體移位處理，保證同一時刻電壓與電流值相互匹配;其次，結合硬件電路中互感器比例系數和放大電路放大倍數等參數，對電壓、電流數據進行恢復處理，將處理后的電壓信號及電流信號基于模型參數識別原理計算出精確的絕緣電阻阻值;最后對計算得出的絕緣電阻阻值進行判斷，觀察其是否處于用戶設定的正常范圍內，若超出正常范圍，調用報警異常處理程序，并在屏幕上顯示警告信息。若電阻值在正常范圍內，則顯示系統監測到的實時狀態。

3.3 數據傳輸

DSP主控制器將處理后的電纜特征參數以串行通信方式送至ZigBee無線發送模塊，數據經多跳節點傳至監測終端。節點間數據傳輸采用Z-Stack協議棧實現。協議棧提供應用層API供用戶使用，節點首先調用無線接收函數接收數據，待數據接收完畢后，節點調用無線傳輸函數將打包好的數據無線發射至下一個節點。最后監測終端在接收無線傳輸的數據后，通過有線方式傳至上位機進行儲存和觀察。

4 測試結果

為測試系統性能，以實驗室380V電壓、50Hz頻率的交流電電纜作為監測對象，選取教學樓內環形走廊作為測試區域，模擬系統在礦井隧道轉彎處的工作情況，測試時節點分布與實景分別如圖6、圖7所示。