基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷擊信號檢測平臺設(shè)計

韓春霞

摘 要： 通過對雷擊信號的實時準(zhǔn)確檢測，為高壓電氣等設(shè)備的防雷擊監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的雷擊信號檢測方法采用時頻參量估計方法，在強電磁干擾下檢測性能差。提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷擊信號檢測平臺設(shè)計方法。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行原始的雷擊信號參量等數(shù)據(jù)信息的采集，設(shè)計的雷擊信號的檢測平臺的硬件電路，包括A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等；進行雷擊信號檢測平臺的軟件開發(fā)，基于Qt/Embedded的應(yīng)用軟件開發(fā)雷擊信號檢測平臺的腳本，設(shè)計波形數(shù)據(jù)存儲界面，進行可視化模塊設(shè)計，通過雷擊信號的波形輸出和人機交互，完成雷擊信號檢測平臺設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該平臺進行雷擊信號檢測的性能較好，準(zhǔn)確檢測概率較高。

關(guān)鍵詞： 雷擊信號檢測； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 實時檢測； 防雷擊監(jiān)測

中圖分類號： TN915?34； TN911 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0162?05

Design of lightning signal detection platform based on wireless sensor network

HAN Chunxia

（Information Engineering College， Tongren University， Tongren 554300， China）

Abstract： A foundation for the lightning protection monitoring of high voltage electrical equipments was laid by using the real?time accurate detection of lightning signal. The time?frequency parameter estimation is adopted in the traditional lightning signal detection method， whose detection performance is poor under strong electromagnetic interference. A design method of the lightning signal detection platform based on wireless sensor network is proposed in this paper. The original lightning signal parameters are collected through the wireless sensor network （WSN）. The hardware circuit of the designed lightning signal detection platform includes A/D sampling circuit， signal filter circuit， clock control circuit of lightning signal， program loaded circuit， interface circuit， etc. Software of the lightning signal detection platform was developed. The waveform data storage interface was designed on the basis of the application software development of lightning signal detection platform based on Qt/Embedded script to realize visualization module design. The lightning signal detection platform design was completed by lightning signal waveform output and human?computer interaction. The simulation results show that the lightning signal detection platform has a good performance and accurate detection probability.

Keywords： lightning signal detection； wireless sensor network； real?time detection； lightning protection monitoring

0 引 言

高壓電氣設(shè)備在受到雷擊后，會產(chǎn)生強烈的放電脈沖，釋放出的高頻電流導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞，需要對雷擊脈沖信號進行準(zhǔn)確的預(yù)測和判斷。通過對雷擊信號的強度、周期、頻譜等參量的準(zhǔn)確估計，提高對雷擊災(zāi)害的預(yù)防和監(jiān)測能力。在雷擊監(jiān)測系統(tǒng)中，對雷擊信號的準(zhǔn)確檢測是預(yù)防雷擊的重要環(huán)節(jié)，對雷擊信號檢測平臺進行合理有效設(shè)計，可以準(zhǔn)確檢測雷擊信號，具有重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)方法對雷擊信號進行檢測主要采用基于時頻分析的信號檢測方法、基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的雷擊信號檢測方法和基于小波分析的雷擊信號檢測方法等[1?4]。這些方法結(jié)合現(xiàn)代信號與信息處理理論，通過建立雷擊信號的數(shù)學(xué)模型，采用時頻特征提取和高階譜特征提取等方法，進行雷擊信號的檢測，取得了一定效果。文獻[5]提出一種基于雷擊脈沖窄帶波束形成的雷擊信號檢測系統(tǒng)設(shè)計方法，通過窄帶波束形成逐次把雷擊突發(fā)脈沖電壓降低，實現(xiàn)雷擊后的高壓負載監(jiān)測和分析；但是該系統(tǒng)在進行雷擊系統(tǒng)檢測過程中，受到諧振和電磁干擾的影響，檢測性能差。文獻[6]提出一種基于寬帶混頻接收的雷擊信號檢測系統(tǒng)設(shè)計方法，通過對電氣線路在遭到雷擊后的信號畸變成分進行自適應(yīng)特征分解，提高雷擊信號的幅度和頻譜檢測精度；但是該方法容易受到旁瓣波束的干擾，在雷擊信號檢測中容易產(chǎn)生失真和虛警檢測現(xiàn)象[7?9]。

針對上述問題，本文提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷擊信號檢測平臺設(shè)計方法，通過仿真實驗進行了性能測試，展示了本文設(shè)計的雷擊信號檢測平臺在提高雷擊信號檢測能力方面的優(yōu)越性能。

1 總體模型設(shè)計

1.1 雷擊信號檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型建立

首先建立混合傳感器鏈路結(jié)構(gòu)模型，將傳感器網(wǎng)絡(luò)中雷擊信號特征節(jié)點通過輻射半徑為SN×L的用圓盤布爾覆蓋，無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個n階多輸入/多輸出系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，用于雷擊信號檢測的傳感器移動位置為[S=sii=1，2，…，NSS?C]，雷擊信號的跟蹤濾波節(jié)點[u∈C]，傳感網(wǎng)絡(luò)的路由移動節(jié)點二維坐標(biāo)[xu，yu]表示在雷擊信號檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個節(jié)點具有不同的鏈路特性，通過M個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行雷擊信號調(diào)制，在上行鏈路中進行雷擊信號的信噪比估計和信號特征分析，在下行鏈路中進行雷擊信號的信道采集和調(diào)制，得到本文設(shè)計的雷擊信號檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 雷擊信號檢測平臺的總體模型設(shè)計

在雷擊信號檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型建立的基礎(chǔ)上，進行雷擊信號的原始數(shù)據(jù)采集，然后采用自適應(yīng)融合濾波系統(tǒng)，進行雷擊信號的參數(shù)估計和降噪濾波，實現(xiàn)雷擊信號的檢測和輸出，檢測系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖2所示。

本文設(shè)計雷擊信號檢測平臺主要包括硬件電路設(shè)計和軟件集成兩大部分。其中硬件電路有A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等。軟件開發(fā)中，通過McBSP與MCP2510的SPI接口傳送到雷擊信號檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，McBSP通過訪問發(fā)送寄存器在內(nèi)部發(fā)送時鐘Internal CLKX的內(nèi)部時鐘進行數(shù)據(jù)收發(fā)和通信，此時，雷擊信號檢測平臺的單極點高通濾波器保持關(guān)閉狀態(tài)，耦合電容[CC]設(shè)為10 nF，通過電容交流耦合，采用PCI9054的LOCAL 總線設(shè)計方法，對雷擊信號檢測平臺的程序進行加載，系統(tǒng)自動將行為特征線性頻率尺度提取值通過串行E2PROM進行配置和程序編寫，通過動態(tài)控制增益進行雷擊信號檢測平臺的數(shù)據(jù)的采集，時鐘頻率為33 MHz，E2PROM的配置采用VXI總線器件，采樣頻率不低于21 MHz。根據(jù)上述分析，得到本文設(shè)計的雷擊信號檢測平臺的技術(shù)指標(biāo)描述如下：雷擊信號檢測的采樣頻率不低于13 MHz；在雷達信號的幅值特征提取中，采用移位器進行循環(huán)堆棧尋址，其中分辨率不低于8位；并行外設(shè)接口的輸入范圍盡量大，采用2線制接口；功耗盡量小。

根據(jù)上述設(shè)計指標(biāo)，進行雷擊信號檢測平臺的模塊化設(shè)計，包括檢測平臺硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計等。

2 檢測平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 雷擊信號檢測平臺的硬件設(shè)計部分

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺中，進行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，本文設(shè)計的雷擊信號的檢測平臺的硬件電路主要有A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等。其中，A/D采樣電路是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的輸入層，實現(xiàn)對雷擊信號的原始數(shù)據(jù)采樣，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的雷擊信號的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機和DSP芯片能識別的數(shù)字信息。本文設(shè)計的雷擊信號檢測平臺的A/D采樣電路如圖3所示。

根據(jù)器件手冊和圖3設(shè)計的A/D電路，采用ADG3301進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換和雷擊信號濾波檢測。A/D電路設(shè)計后，進行雷擊信號的濾波電路設(shè)計。濾波電路采用FIR濾波設(shè)計方法，對輸入的雷擊信號進行降噪和抗干擾處理，使用WorkBench電路進行濾波電路的核心器件配置，WorkBench是ADI生產(chǎn)的單通道雙向電平轉(zhuǎn)換芯片，本文設(shè)計的雷擊信號的濾波電路如圖4所示。

分析圖4可知，雷擊信號流經(jīng)電阻R的電流為0，濾波的轉(zhuǎn)換電阻R設(shè)為200[Ω]，負載電阻100[Ω]實現(xiàn)1.15～5.5 V電平的自由轉(zhuǎn)換。內(nèi)核電源通過10[μF]和0.1[μF]電容濾波，ADG3301在內(nèi)部集成有一個開關(guān)電源控制器，進行3.3～5 V的電平轉(zhuǎn)換，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)對雷擊信號的動態(tài)濾波管理。其中，濾波輸出的傳輸時延為6 ns，在濾波輸出的接口電路中，為了防止電壓突變產(chǎn)生的基線漂移誤差，采用0805封裝使得ADCLK相比PPICLK延遲6 ns，雷擊信號的高頻TDO信號加匹配電阻進行PPI和AD9225時序調(diào)制。下一步，進行雷擊信號的時鐘控制電路設(shè)計，時鐘控制電路位于濾波電路的輸出端，通過時鐘控制進行雷擊信號的時頻特征采樣和高階譜分離，是整個基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷擊信號檢測平臺的控制核心，采用并行外設(shè)接口（PPI）與DSP芯片直接相連，AD9225可以差分輸入，本系統(tǒng)采用多通道的A/D接口進行信號處理，采用DSP處理器和PCI總線兩模塊設(shè)計進行時鐘鎖定和輸出增益控制，在雷擊信號檢測的時鐘控制中，由Mux101多路ADC通過自適應(yīng)反饋方法控制VCA810的輸出，當(dāng)計數(shù)器的值為0～[M1]時，輸出0，時鐘控制電路的輸出電壓范圍是[-2 V≤VC≤0]，考慮到輸入的雷擊信號的傳感數(shù)據(jù)的幅值較低的特點，在模擬信號預(yù)處理機的引腳配置中進行現(xiàn)PC機與DSP的高速數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對雷擊信號的時鐘控制電路的設(shè)計如圖5所示。

在雷擊信號的時鐘控制電路的基礎(chǔ)上，進行雷擊信號檢測的程序加載電路和接口電路設(shè)計，程序加載電路是實現(xiàn)雷擊信號檢測算法程序加載的電路部分，本文設(shè)計的雷擊信號檢測平臺的程序加載電路如圖6所示。

分析圖6可知，雷擊信號檢測的JTAG口離DSP距離不能超過[6 inch]，ADSP?BF537需要3種電源進行集中供電和JTAG Debug接口模塊的DSP芯片控制，采用在線下載程序到DSP的RAM中的方法，實現(xiàn)對雷擊信號的TAP的復(fù)位和高階譜特征提取。

最后進行接口電路設(shè)計，通過接口電路實現(xiàn)對雷擊信號檢測、輸出和設(shè)備控制，接口電路設(shè)計中，通過HP E1433A提供的實時計算測量功能，實現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)和雷擊信號檢測的控制分析，通過接口電路的輸出端，實現(xiàn)對雷擊信號的最高65 MHz的A/D采樣，電路設(shè)計結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，通過合理選取R1和R2的阻值可以調(diào)整MOSFET功率管的柵極電壓，抑制尖峰電壓的產(chǎn)生，實現(xiàn)對雷擊信號的準(zhǔn)確檢測。

2.2 雷擊信號檢測平臺的軟件開發(fā)實現(xiàn)

在上述進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行雷擊信號檢測平臺的軟件開發(fā)，通過McBSP與MCP2510的SPI接口將雷擊信號傳送到檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。雷擊信號檢測平臺采用Server/Client協(xié)議進行遠程控制，雷擊信號檢測平臺的Qt/Embedded通過API進行中間件設(shè)計，檢測平臺的中間件可以分為三部分：控件、框架和工具。使用的GUI支持訪問嵌入式設(shè)備的Qt C++ API，其中?prefix指定安裝目錄，?opensource指定使用開源版本的Qt，輸入命令source install?qt?embedded?x86.sh，開始編譯，在Qt/Embedded的應(yīng)用模塊編譯鏈接生成可運行于目標(biāo)平臺的可執(zhí)行文件，程序編譯過程如圖8所示。

基于Qt/Embedded的應(yīng)用軟件開發(fā)雷擊信號檢測平臺的腳本，在指定的安裝目錄下生成Qt/Embedded for x86，配置qtx11、編譯和安裝編譯、仿真所需的各種文件。為便于用戶保存雷擊信號檢測的輸出結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計了波形數(shù)據(jù)存儲界面。該界面可將測量時間以及測量結(jié)果存入SD卡中，雷擊信號的波形存儲界面的設(shè)計如圖9所示。

軟件開發(fā)的最后，進行可視化模塊設(shè)計，人機交互的可視化界面可以實現(xiàn)雷擊信號的波形輸出，設(shè)計的人機交互的可視化界面如圖10所示。

綜上分析，完成了雷擊信號檢測的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

3 檢測性能測試

為了測試本文設(shè)計的系統(tǒng)在實現(xiàn)雷擊信號檢測中的性能，進行仿真實驗，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行原始的雷擊信息的采集，信號的采樣頻率為15.64 kHz，雷擊信號的特征提取采用的解調(diào)頻率為20 kHz，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，使用的GUI支持訪問嵌入式設(shè)備的Qt C++ API，進行檢測算法的程序加載，實現(xiàn)雷擊信號檢測仿真，得到在信噪比分別為[SNR=-5 dB]和[SNR=-8 dB]條件下，進行雷擊信號檢測的輸出的信號波形如圖11所示。分析圖11可知，采用本文方法進行雷擊信號檢測，能準(zhǔn)確檢測到雷擊信號的輸出譜峰值和持續(xù)時間，檢測性能較好，為對比性能，采用10 000次蒙特卡洛實驗，結(jié)合本文方法和傳統(tǒng)方法進行信號檢測，分析檢測性能曲線，在不同的采樣周期T下，得到仿真結(jié)果如圖12所示。

從圖12可見，采用本文方法進行雷擊信號檢測的精度較高，準(zhǔn)確檢測概率較高，性能可靠穩(wěn)定，展示了較好的檢測性能。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷擊信號檢測平臺設(shè)計方法，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，采用該平臺進行雷擊信號檢測，準(zhǔn)確檢測性能較好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用價值。

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