基于ARM平臺的雷電流采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 驍

(上海電科臻和智能科技有限公司, 上海 201400)

0 引 言

目前,人們對雷電安全防護(hù)的要求越來越高,已經(jīng)逐漸由安全防護(hù)為目的轉(zhuǎn)換為對雷電流數(shù)據(jù)分析為目的。在這種要求環(huán)境下,如何由實(shí)驗(yàn)室的理論研究轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,成為防雷行業(yè)雷電檢測發(fā)展要求的關(guān)鍵[1]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和大電流檢測手段的日漸成熟,對于安全防護(hù)系統(tǒng),人們越來越關(guān)注雷電行業(yè)實(shí)時(shí)性能檢測和智能預(yù)警,故對雷電監(jiān)測和預(yù)警的重視程度越來越高[2]。

1 原理設(shè)計(jì)及基本架構(gòu)

雷電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基于羅氏線圈傳感器。羅氏線圈具有測量范圍寬、測量精度高、無磁飽和、頻帶寬、反應(yīng)時(shí)間低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)目方案采集的雷電波形數(shù)據(jù)是采用基本雷電波形數(shù)據(jù),參考波形根據(jù)GB 18802.1—2011 中要求的8/20 μs波形標(biāo)準(zhǔn),因采集數(shù)據(jù)波形為微秒級數(shù)據(jù)波形,故采集點(diǎn)的采樣速率應(yīng)在1 MHz以上。參考目前流行的單片機(jī)及主流芯片,發(fā)現(xiàn)ARM系統(tǒng)是相對成熟且應(yīng)用較廣的可編程芯片,其模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)最高可達(dá)1 MHz SPS,故能滿足基本的微秒級采樣應(yīng)用,適用于雷電波形數(shù)據(jù)的采集。

設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

2 具體實(shí)施方案

(1) 積分電路。積分電路實(shí)現(xiàn)對輸入信號的隔離輸入,包括信號濾波及信號積分電路。該電路主要是對羅氏線圈感應(yīng)輸出的電壓信號通過RC濾波,再經(jīng)過電阻分壓后接入到高速雙電源運(yùn)放芯片的輸入腳上,采用運(yùn)算放大器構(gòu)成近似積分器,合理選擇器件參數(shù),能夠保證傳感器的測量靈敏度、精度和信號響應(yīng)帶寬。積分電路如圖2所示,其中C10為積分電容,R7為消抖電阻,配合U2運(yùn)放能有效組成積分電路,使羅氏線圈的微分信號能有效還原。

圖2 積分電路

(2) 精密整流轉(zhuǎn)換電路。雷電流波形具有極性,而羅氏線圈感應(yīng)波形同樣是矢量信號,具有一定的極性。對于常用的AD轉(zhuǎn)換電路與轉(zhuǎn)換芯片,一般的參考點(diǎn)及參考電壓都為正向信號,而負(fù)信號處理起來帶來的直接影響就是失真和湮滅,對現(xiàn)場環(huán)境而言便失去負(fù)向信號的參考意義。該項(xiàng)目采用精密整流電路對雷電信號進(jìn)行處理,利用整形轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)精密電路中絕對值的轉(zhuǎn)換,將輸入的交流信號通過精密整流轉(zhuǎn)化為正向波形,能夠精確轉(zhuǎn)換各種電壓波形。精密整流轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,其中U4為正向信號轉(zhuǎn)換輸出運(yùn)放,U3為負(fù)向信號轉(zhuǎn)換輸出運(yùn)放,Ui信號經(jīng)過正反向信號處理放大器,轉(zhuǎn)換為正向波形,有助于后續(xù)單元對原始電流波形的處理。

圖3 精密整流轉(zhuǎn)換電路

由圖3可見,兩個(gè)運(yùn)放配合調(diào)整好比例系數(shù),能有效將信號進(jìn)行絕對值化,而沒有任何波形損失和畸變,滿足后續(xù)AD采集電路的采集要求。

(3) 信號檢波輸出電路。信號檢波輸出電路主要采用高性能ARM系列CPU,通過將前級轉(zhuǎn)換識別的波形處理分析后,通過標(biāo)準(zhǔn)通信信號輸出電路對外輸出信號信息。

3 軟件方案

軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

4 方案效果

根據(jù)以上方案,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用沖擊電流發(fā)生器進(jìn)行測試。單次雷電波形采集數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單次雷電波形采集數(shù)據(jù)

將以上數(shù)據(jù)對每個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行描點(diǎn)構(gòu)圖,一次波形AD轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

圖5 一次波形AD轉(zhuǎn)換圖

由圖5可以發(fā)現(xiàn),波形峰值最高點(diǎn)位為11號點(diǎn),其AD值為479 mV,其90%計(jì)算為431 mV,與點(diǎn)位9接近;其50%計(jì)算為240 mV,與點(diǎn)位22接近;其10%計(jì)算值為48 mV,與點(diǎn)位2接近,因使用AD采集速率為1 MHz,每個(gè)采集點(diǎn)點(diǎn)位時(shí)間間隔約為1 μs,因此由2號點(diǎn)位與9號點(diǎn)位發(fā)生時(shí)間值為7～8 μs,半波時(shí)間為20～21 μs。根據(jù)8/20 μs沖擊電流波形規(guī)定,視在波前時(shí)間為8 μs,半波峰值時(shí)間為20 μs。故采集到的波形與8/20 μs波形基本吻合,證明采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)位與雷電沖擊儀的8/20 μs波形一致,說明該方案可以實(shí)現(xiàn)雷電波形的數(shù)據(jù)采集。

多次沖擊測試峰值如表2所示。

表2 多次沖擊測試峰值

沖擊電流峰值與AD采集對應(yīng)峰值線性度曲線如圖6所示。

圖6 沖擊電流峰值與AD采集對應(yīng)峰值線性度曲線

由表2和圖6可以發(fā)現(xiàn),采集數(shù)據(jù)剔除計(jì)算誤差和系統(tǒng)誤差外,基本成線性對應(yīng)關(guān)系,證明該項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集方案可行,且實(shí)施度很高。

5 結(jié) 語

雷電流采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施,可實(shí)現(xiàn)低成本雷電流數(shù)據(jù)采集,整個(gè)8/20 μs波形數(shù)據(jù)點(diǎn)位可采集25～30個(gè)點(diǎn)來描繪整個(gè)波形,對現(xiàn)場雷電檢測的應(yīng)用具有十分重要的意義,對現(xiàn)場分析整個(gè)雷電趨勢提供可靠的數(shù)據(jù)。

[1]鐘質(zhì)飛,顏楠楠.適用于智能電網(wǎng)的雷電流在線監(jiān)測裝置應(yīng)用研究[J].電器工業(yè),2014(7):61-67.

[2]趙燕君.基于羅氏線圈的雷電流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(1):68-70.