鬼佬大哥大
  • / 12
  • 下載費用:30 金幣  

基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置及方法.pdf

關 鍵 詞:
基于 DSP FPGA 便攜式 場強 測量 裝置 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
摘要
申請專利號:

CN201410158566.7

申請日:

2014.04.21

公開號:

CN103954848A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權人的姓名或者名稱、地址的變更IPC(主分類):G01R 29/08變更事項:專利權人變更前:國家電網公司變更后:國家電網公司變更事項:地址變更前:100761 北京市西城區西長安街86號變更后:100761 北京市西城區西長安街86號變更事項:共同專利權人變更前:江蘇省電力公司 國網江蘇省電力公司檢修分公司變更后:江蘇省電力公司 國網江蘇省電力有限公司檢修分公司|||專利權人的姓名或者名稱、地址的變更IPC(主分類):G01R 29/08變更事項:專利權人變更前:國家電網公司變更后:國家電網公司變更事項:地址變更前:100761 北京市西城區西長安街86號變更后:100761 北京市西城區西長安街86號變更事項:共同專利權人變更前:江蘇省電力公司 江蘇省電力公司檢修分公司變更后:江蘇省電力公司 國網江蘇省電力公司檢修分公司|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01R 29/08申請日:20140421|||公開
IPC分類號: G01R29/08 主分類號: G01R29/08
申請人: 國家電網公司; 江蘇省電力公司; 江蘇省電力公司檢修分公司
發明人: 陳昊; 戴秀嵩; 周永榮; 孟瑋
地址: 100761 北京市西城區西長安街86號
優先權:
專利代理機構: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224 代理人: 董建林
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201410158566.7

授權公告號:

||||||||||||

法律狀態公告日:

2018.01.30|||2018.01.30|||2015.12.30|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

專利權人的姓名或者名稱、地址的變更|||專利權人的姓名或者名稱、地址的變更|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,包括可采集現場模擬信號的第一電場信號采集模塊,其特征在于,還包括可采集現場模擬信號的第二電場信號采集模塊、DSP模塊、FPGA模塊和顯示模塊,所述第一電場信號采集模塊和第二電場信號采集模塊通過調理電路與DSP模塊相連;DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍內,則DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示。在成本增加不大的情況下大大增加運算效率,提高實時性,精度高、運算快、抗干擾性強,大大提高可靠性和準確性。

權利要求書

權利要求書
1.  基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,包括可采集現場模擬信號的第一電場信號采集模塊,其特征在于,還包括可采集現場模擬信號的第二電場信號采集模塊、DSP模塊、FPGA模塊和顯示模塊,所述第一電場信號采集模塊和第二電場信號采集模塊通過調理電路與DSP模塊相連;
DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍內,則DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示。

2.  根據權利要求1所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,其特征在于,還包括報警模塊,當第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號的數值相差大于一定范圍時,DSP模塊控制報警模塊進行報警。

3.  根據權利要求1所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,其特征在于,所述第二電場信號采集模塊每間隔一定時間進行采樣,DSP模塊通過Prony算法得到Prony運算后的場強值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據不同電壓等級變電站或者線路周圍電場分布規律進行電壓匹配,控制顯示模塊顯示Prony運算后的場強值相對應的電壓等級。

4.  根據權利要求2所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,其特征在于,還包括可采集現場溫度的溫度信號采集單元和可采集現場濕度的濕度信號采集單元,所述溫度信號采集單元通過調理電路與DSP模塊相連,DSP模塊通過運算計算得到實時溫度值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據預先設定的裝置工作溫度控制報警模塊工作;所述濕度信號采集單元通過調理電路與DSP模塊相連,DSP模塊通過運算計算得到實時濕度值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據預先設定的裝置工作濕度控制報警模塊工作。

5.  根據權利要求4所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,其特征在于,還包括可向FPGA模塊輸入信息的按鍵。

6.  根據權利要求5所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,其特征在于,所述場強測量裝置呈腕表式結構,還包括顯示盤,顯示盤底部設置有容腔,所述容腔兩側設置有相互成對的且至少有一個可在它的長度方向拉伸的腕帶,所述顯示模塊位于顯示盤上,顯示盤底部設置有一個可推式的卡子,所述容腔內放置信號采集模塊、DSP模塊、FPGA模塊、報警模塊和按鍵,推動卡子顯示盤可沿著容腔露出或隱藏按鍵。

7.  基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法,其特征在于,包括如下步驟:
S01:開機自檢:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍時,進入步驟S02,否則進行報警;
S02:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示;
S03:DSP模塊判斷識別電壓等級的模式:若是自動識別模式,則第二電場信號采集模塊每間隔一定時間進行采樣,DSP模塊通過Prony算法得到Prony運算后的場強值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據不同電壓等級變電站或者線路周圍電場分布規律進行電壓匹配,并控制顯示模塊顯示Prony運算后的場強值相對應的電壓等級。

8.  根據權利要求7所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法,其特征在于,還包括如下步驟:在步驟S03中,若是手動輸入模式,則通過按鍵向FPGA模塊輸入電壓等級,FPGA模塊控制顯示模塊顯示電壓等級。

9.  根據權利要求7所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法,其特征在于,還包括如下步驟:當實時溫度值不在裝置工作溫度范圍內或實時濕度值不在裝置工作濕度范圍內時,FPGA模塊控制報警模塊報警。

10.  根據權利要求7或8或9所述的基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法,其特征在于,還包括如下步驟:每間隔一定時間,DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差超出一定范圍時,進行報警。

說明書

說明書基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置及方法
技術領域
本發明涉及一種場強測量裝置及方法,尤其是一種基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置及方法。
背景技術
眾所周知,工頻電場廣泛存在于我們周圍,尤其是在高電壓環境中,其工頻電場強度已足以威脅人體健康和人身安全。電具有多種效應,包括電磁場效應、熱效應、光效應等等,這些效應是電的用途如此廣泛的原因,但是這些效應又是很難在安全的前提下通過人的感覺器官直接感知的,這就是電力事故為何多發的客觀因素。電力行業經常要和高壓、超高壓帶電設備打交道,日常工作中具有電力職業獨有的危險性,工作中的觸電事故不僅是對人身安全的巨大威脅,一旦發生高壓觸電,很可能造成重傷甚至失去生命,其次觸電事故往往帶來跳閘等繼發性的斷電事故,造成直接經濟效益損失。由于人的感覺器官不能在非接觸的情況下感知電的存在,所以通過輔助性的器械來探測電的存在以保證人的安全是很自然的選擇。
現在已有的小型場強測試裝置普遍有強電環境下易受干擾,多電壓等級電場環境下測量不準等問題。比如基于晶體管PN結阻抗效應的場強測試裝置,抗干擾能力弱,在強電環境下PN結易于擊穿導致產品失效,有誤導使用人員對周圍電場判斷的危險,造成不應有的事故。傳統的非接觸型檢測電場設備準確度低與諸多因素相關,首先是客觀環境中的帶電狀況非常復雜,除工頻交流電外,還有靜電,高頻無線電,雷電等干擾因素,在干燥環境下,人體靜電可以高達 幾千到上萬伏特,手機、基站等無線設備由于頻率很高,能在電子設備上感應出很強的電磁場;其次,即使沒有干擾,由于帶電物體形狀的不確定性和多個帶電物體的電磁場疊加效應,導致空中的電磁場非常紊亂,呈現出復雜的矢量場特征;而且,環境的溫度、濕度、人體的電阻、電容以及鞋帽、衣著等都會嚴重影響到空中電磁場的分布。如果使用高精度的場強測量儀器,如一些大中型精密場強測試裝置,可以比較精確的進行測量,但是由于采用了一些高技術的抗干擾手段,如采用復合偶極子天線、傳感器用光纖進行連接、進行溫濕度補償、使用高絕緣度的支架和隔離桿等,使得其造價很高,雖性能較好,如配備到供電局生產班組層面,費用很大,一般企業難以承受。
發明內容
針對上述問題,本發明提供一種基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置及方法,采用DSP+FPGA和雙電場信號采集模塊結構,在成本增加不大的情況下大大增加運算效率,提高實時性,精度高、運算快、抗干擾性強,大大提高可靠性和準確性;進一步的,在未知電壓等級的情況下可進行電壓等級的初步判定。
為實現上述技術目的,達到上述技術效果,本發明通過以下技術方案實現:
基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,包括可采集現場模擬信號的第一電場信號采集模塊,其特征在于,還包括可采集現場模擬信號的第二電場信號采集模塊、DSP模塊、FPGA模塊和顯示模塊,所述第一電場信號采集模塊和第二電場信號采集模塊通過調理電路與DSP模塊相連;DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍內,則DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示。
基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法,其特征在于,包括如下步驟:
S01:開機自檢:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍時,進入步驟S02,否則進行報警;
S02:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示;
S03:DSP模塊判斷識別電壓等級的模式:若是自動識別模式,則第二電場信號采集模塊每間隔一定時間進行采樣,DSP模塊通過Prony算法得到Prony運算后的場強值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據不同電壓等級變電站或者線路周圍電場分布規律進行電壓匹配,并控制顯示模塊顯示Prony運算后的場強值相對應的電壓等級。
雙CPU結構(DSP+FPGA結構)的優點是DSP負責運算,FPGA負責邏輯、閾值比較和輸入輸出,兩者根據自身特長各司其職。對比以往單片機結構的場強儀,在成本增加不大的情況下大大增加運算效率,提高實時性。精度高、運算快、抗干擾性強的特點。雙電場傳感器配置,通過開機和定期對比的方法,大大提高可靠性和準確性。在未知電壓等級的情況下可以用此裝置進行初步判定。最大限度地減少因為主觀疏漏造成的觸電傷亡事故,對電場場強過高的地方起預警作用,保護人身安全,提高工作中的安全水平。
本發明的有益效果是:采用DSP+FPGA和雙電場信號采集模塊結構,在成本增加不大的情況下大大增加運算效率,提高實時性,精度高、低功耗、運算快、抗干擾性強,大大提高可靠性和準確性;進一步的,在未知電壓等級的情況下 可進行電壓等級的初步判定。
附圖說明
圖1是本發明基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置的結構框圖;
圖2是本發明DSP和FPGA接口交互示意圖;
圖3是本發明懸浮體場強儀的結構示意圖;
圖4是單回線附近的電場強度分布示意圖;
圖5是雙回線附近的電場強度分布示意圖;
圖6是基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述,以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施,但所舉實施例不作為對本發明的限定。
如圖1所示,是一種基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置,包括可采集現場模擬信號(即感應電流I)的第一電場信號采集模塊和第二電場信號采集模塊、DSP模塊、FPGA模塊和顯示模塊。為了避免惡劣的工作環境對場強測量裝置造成損害,影響使用壽命,優選在裝置的探測終端內設置有溫度及濕度測量電路,即可采集現場溫度的溫度信號采集單元和可采集現場濕度的濕度信號采集單元。優選裝置還設置有報警模塊,可以進行聲和/或光的提醒。需說明的是探測終端(即第一電場信號采集模塊、第二電場信號采集模塊、溫度信號采集單元和濕度信號采集單元)采集的均是現場的模擬信號,因此需要經過調理電路輸入DSP模塊。
溫度信號采集單元可以采用紅外溫度傳感器,把溫度轉化為電流量,通過線性放大器調理給DSP讀取。濕度信號采集單元可以采用單片智能化濕度傳感 器。基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置的工作條件參考標準:(一)環境溫度:操作時:-10℃到+45℃;儲藏時:-20℃到+50℃;(二)環境濕度:-20℃到0℃時:無冷凝;0℃到40℃時:0%到95%;40℃到50℃時:0%到40%。DSP模塊和FPGA模塊的接口連接示意圖如圖2所示,其中雙CPU結構(DSP+FPGA結構)的優點是DSP模塊負責運算,FPGA模塊負責邏輯、閾值比較和輸入輸出,兩者根據自身特長各司其職。其中FPGA模塊的FLASH內儲存電場分布規律表格、安全距離表格、電壓等級表格等。DSP模塊計算得到實時溫度值和實時濕度值并傳送給FPGA模塊,FPGA模塊進行比較(可以將溫度、濕度的參數存放在FPGA模塊的FLASH內),當實時溫度值不在裝置工作溫度范圍內或實時濕度值不在裝置工作濕度范圍內時,FPGA模塊控制報警模塊報警,提醒工作人員。
傳統的場強儀只配置一個電場信號采集模塊,誤差比較大且不容易覺察,因此本裝置采用兩個電場信號采集模塊。
優選兩個電場信號采集模塊采用懸浮體場強儀,但第一電場信號采集模塊用于顯示模塊進行顯示實時場強值,而第二電場信號采集模塊用于自動識別電壓等級,具體如下:
如圖3所示,懸浮體場強儀的工作原理是測量引入到被測電場的一個孤立導體的兩部分之間的工頻感應電流和感應電荷。它用于在地面以上的地方測量空間電場,并且不要求一個參考地電位,通常做成攜帶式。懸浮體場強儀的指示器可以放在探頭內構成探頭的一個組成部分,探頭和指示器用一個絕緣手柄或絕緣體引入電場。還有一種遠距離顯示電場強度的懸浮體場強儀,信號處理回路的一部分裝在探頭內,指示器的其余部分放在一個分開的殼體內并有模擬或數字顯示,采用光導纖維把探頭和顯示單元連接起來。懸浮體場強儀主要用 電池供電。懸浮體場強儀所有的探頭可以設置為偶極子。當球形探頭位于一均勻場內,分開兩半球的平面垂直于電場,在一個半球上的感應電荷有效值Q為:
Q=3πε0r2E
式中:ε0一一真空的介電常數;
r一一球半徑;
E一一均勻電場強度,有效值。
上述公式表示測量感應電荷可度量電場強度。同樣,對此電荷采用電子線路微分得到的感應電流I,也可以用來測定場強:
I=3πε0ωr2E
式中:ω一一角頻率(2πf)。
通過電場信號采集模塊采集I(正比于E),DSP模塊通過運算計算將I值換算成E。
DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍內,則DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算(即按照上述的公式計算)得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示。當第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號的數值相差大于一定范圍時,DSP模塊控制報警模塊進行報警。二者數值相差的范圍可以根據使用環境和要求進行限定。
在初次進入一個陌生測量環境,進行電壓等級判定是非常重要的,而傳統的場強儀不具有未知電壓等級判定的功能。下面以6個電壓等級(10kV、35kV、110kV、220kV、500kV、1000kV)舉例說明。
電壓等級可以有兩種識別模式,即手動輸入模式和自動識別模式,手動輸入模式可以通過按鍵向FPGA模塊輸入電壓等級,FPGA模塊直接讀取電壓等級數值并通過顯示模塊進行顯示。此種結構比較簡單,但使用不靈活。
自動識別模式下,第二電場信號采集模塊每間隔一定時間進行采樣,時間間隔越短精度越高,DSP模塊通過Prony算法得到電場強度的幅值和頻率,只分析工頻的數據,隨著人的走動,根據Prony算法算出的其工頻下的場強也在變化。Prony運算后的場強值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據不同電壓等級變電站或者線路周圍電場分布規律進行電壓匹配,當場強值大小變化的范圍滿足某個元件附近場強分布的時候(預先在FLASH里已經設定的電場分布規律表格),則可識別為該電壓等級。控制顯示模塊顯示Prony運算后的場強值相對應的電壓等級。為解決不能分析暫態信號的問題,在傅里葉算法的基礎上,Prony提出了用指數函數的一個線性組合來描述等間距采樣數據的數學模型,經過適當擴充,形成了能夠估算給定信號的頻率、衰減、幅值的Prony算法。
電場分布規律表格可以根據實測數據來定制,如圖4和圖5所示,靠近帶電元件附近場強是有變化規律的,圖4中,當某人在單回線附近走動時,若Prony算法算出的M個工頻場強里有N個結果(一般要求M>=N>=0.9M)覆蓋了(0.1kV/m—0.4kV/m)的區間,則可以判定電壓等級為220kV。
在已經確定好電壓等級和場強的情況下,根據變電站及輸電線路的場強分布圖在低于安全距離的情況下報警,需說明的是,低于安全距離即報警距離并不是指距離數值小于安全距離,其報警是在距離數值高于且接近安全距離時進行報警。具體的安全及報警距離表格見表1,報警距離稍高于安全距離。圖4中,5m以內時場強降低,可以利用該規律進行判斷距離,當場強達到最高值(該電 壓等級下)時,就已經處于較為危險的狀態(5m以內),可以報警。如果在進入高電壓環境時,能準確獲知高壓帶電區域的電場分布,那么就能在高工作效率的同時減小事故發生幾率。
表1.安全及報警距離表格
電壓等級安全距離報警距離10kv0.7m0.7~1.0m35kv1.0m1.0~1.5m110kv1.5m1.5~2.0m220kv3.0m3.0~4.0m500kv5.0m5.0~6.0m
所述場強測量裝置呈腕表式結構(圖中未示出),還包括顯示盤,顯示盤底部設置有容腔,所述容腔兩側設置有相互成對的且至少有一個可在它的長度方向拉伸的腕帶,所述顯示模塊位于顯示盤上,顯示盤底部設置有一個可推式的卡子,具體結構可參見類似結構,比如滑蓋手機的可推式結構、申請號為200710085777.2公開的腕戴式便攜式終端的結構等等,在此不再贅述,既可推出也可退回原位置。所述容腔內放置其他部件,包括信號采集模塊(包括第一電場信號采集模塊、第二電場信號采集模塊、溫度信號采集單元和濕度信號采集單元)、DSP模塊、FPGA模塊、報警模塊和按鍵,推動卡子,顯示盤可沿著容腔露出或隱藏按鍵。正常使用時顯示盤在原位置,按鍵是看不到的,當需要使用按鍵時,則把顯示盤推上去,即可看到按鍵,通過按鍵可以進行操作。當操作完畢后,把顯示盤推回原位置,此時只能看到顯示模塊,防止工作人員作業中誤碰按鍵。
基于DSP和FPGA的便攜式場強測量方法如圖6所示,其中圖6只顯示了部分流程的示意圖:
S01:開機自檢:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差在一定范圍時,進入步驟S02,否則進行報警;
S02:DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號進行運算計算得到實時場強值,并將實時場強值傳送至FPGA模塊,FPGA模塊將實時場強值通過顯示模塊顯示;
S03:DSP模塊判斷識別電壓等級的模式:若是自動識別模式,則第二電場信號采集模塊每間隔一定時間進行采樣,DSP模塊通過Prony算法得到Prony運算后的場強值并傳送至FPGA模塊,FPGA模塊根據不同電壓等級變電站或者線路周圍電場分布規律進行電壓匹配,并控制顯示模塊顯示Prony運算后的場強值相對應的電壓等級。若是手動輸入模式,則通過按鍵向FPGA模塊輸入電壓等級,FPGA模塊控制顯示模塊顯示電壓等級。
當實時溫度值不在裝置工作溫度范圍內或實時濕度值不在裝置工作濕度范圍內時,FPGA模塊控制報警模塊報警。
當低于安全距離的情況下報警。
優選,每間隔一定時間,DSP模塊對第一電場信號采集模塊采集的信號和第二電場信號采集模塊采集的信號進行比較,當二者數值相差超出一定范圍時,進行報警,兩個電場信號采集模塊所獲得的數據是定期對比的,如果偏差過大則報警,可以有效減少誤差。
以上僅為本發明的優選實施例,并非因此限制本發明的專利范圍,凡是利 用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換,或者直接或間接運用在其他相關的技術領域,均同理包括在本發明的專利保護范圍內。   內容來自專利網www.wwszu.club轉載請標明出處

關于本文
本文標題:基于DSP和FPGA的便攜式場強測量裝置及方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6140595.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大 6202784142362714046513030947352138496090179152231173590520358576363426815236915966504949789445498958 (function(){ var bp = document.createElement('script'); var curProtocol = window.location.protocol.split(':')[0]; if (curProtocol === 'https') { bp.src = 'https://zz.bdstatic.com/linksubmit/push.js'; } else { bp.src = 'http://push.zhanzhang.baidu.com/push.js'; } var s = document.getElementsByTagName("script")[0]; s.parentNode.insertBefore(bp, s); })();