CN104316767A - 一种远距离相位实时检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远距离相位实时检测方法及装置，主要通过检测X/Y两路模拟信号上升沿之间差值，根据公式φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx推出相位差关系，其中，fx为感应信号频率，t1y^-t1x^为X/Y模拟信号之间的时间差。本发明解决了由于无线通信被越来越广泛运用，特别市场上最为常用的315MHz和433MHz频点模块，传统的直接调制ASK通信模块，虽然简单易用，但越来越受到环境的影响，导致使用中的数据不稳定，容易受到外界影响，同时由于该模块频点调整不变，特别是在当多套核相仪系统处在同一现场下互相干扰导致无法正常使用，以及通信距离近等诸多问题。

Description

一种远距离相位实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电气测试设备领域，尤其涉及一种进行远距离相位检测的方法及核相仪装置。

背景技术

传统远程相位实时检测模式采用ASK调制解调模块实现相位信息的远程实时传输功能，但由于无线通信被越来越广泛运用，特别市场上最为常用的315MHz和433MHz频点模块，传统的直接调制ASK通信模块，虽然简单易用，但越来越受到环境的影响，导致使用中的数据不稳定，容易受到外界影响，同时由于该模块频点调整不变，特别是在当多套核相仪系统处在同一现场下互相干扰导致无法正常使用，以及通信距离近等诸多问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用目前主流的大量普通的数字无线芯片，通过MCU控制器对其工作模式的配置，使其通过数据包方式实现相位信息的远距离传输检测，其工作原理如下：

发射器通过感应信号的滤波处理成方波信号，感应信号的由负半波到正半波过零点时，比较器输出一个上升沿触发信号，此时刻记作t1，如图1，触发MCU控制器，发射端MCU控制器通过触发中断，对预先装载好的无线数据模块，下达发射指令，无线模块根据发射指令立即启动发射，每个上升沿MCU控制器下达一次发射指令，达到数据包的发射步调和感应信号的过零点维持一个相对固定时间，接收端的实时接收状态，可知数据包的接收步调和感应信号同样维持一个相对固定时间，MCU控制单元实时接收数据包并模拟一个上升沿信号输出，此刻记作t1^。从感应信号的过零点到接收端的模拟输出，这段时间需根据硬件确定，硬件确定后即为一个固定时间记作T，所以可确认从发射端感应信号到接收端模拟信号输出之间延时一个固定时间T。

消掉这个固定时间即可实现相位远程实时检测功能，如图2所示，待检测的X、Y信号之间的相对时间差，为t＝t2-t1，根据周期和角度关系可知X/Y间相位差关系为φxy＝360*t*fx,(fx为感应信号频率，单位为Hz；t为X/Y之间的时间差，单位为S)。

当通过无线接收端方式检测相位信息时，如图3-4所示，

X/Y接收模拟信号相对时间差为t^＝t1y^-t1x^，因t1x^＝t1x+T，t1y^＝t1y+T，

即t^＝t1y^-t1x^＝(t1y+T)-(t1x+T)＝t1y-t1x＝t，即X、Y信号之间相对时间差为t＝t1y^-t1x^。

所以系统只需要检测X/Y接收机两路模拟信号上升沿之间差值，即可推算相位，根据感应信号的周期和相位关系可知，相位差为φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx；

根据实际测量的电网频率在45Hz—65Hz之间，即对应周期为22ms—15.38ms,占空比为50％，从发射端感应信号的过零点触发MCU控制器开始到接收端模拟信号输出，这段时间T，必须满足≤15.38ms。

同时为了保证该方案中硬件电路对该方案相位的检测精度误差≤0.5％，和20dB功率下的复杂电网环境中保证800米的可靠传输距离，且误码率≤1％，即无线模块选用4.8Kbps的空中速率，数据包采用“3个引导码+2个同步码+2个字节数据包”，即数据包需11.67ms的空中停留时间，MCU控制器响应完成发射指令的传输为0.1ms，无线单元完成发射指令的响应时间为0.20ms，接收端完成接收和MCU控制器响应并输出需要0.75ms，共计12.72ms周期时间，满足≤15.38ms。

本发明具体技术方案如下：

一种远距离相位实时检测装置，包括发射端和接收端，

所述的发射端包括接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元，所述的保护电路与接触电极、半波整流触发电路、滤波电路相连接，所述的半波整流触发电路还与电源管理单元相连接，所述的电源管理电源由充电单元电路供电，与滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元、指示单元连接，给整个电路供电，所述的滤波电路还与过零比较电路相连接，过零比较电路还与MCU控制器连接，MCU控制器还分别与X/Y无线发射单元及指示单元相连接。

所述的接收端包括与MCU控制单元相连接的X无线接收单元及Y无线接收单元。

优选的，所述的接触电极用于接收原始感应信号，经过保护电路的感应信号在半波整流触发电路中转为直流量，当感应信号大于设置阈值时触发并使能电源管理单元，所述电源管理单元用于给滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元及指示单元上电，所述的MCU控制器用于上电后初始化X/Y无线发射单元，所述的滤波电路用于在X/Y无线发射单元工作后滤除感应信号中0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，所述的过零比较电路用于完成感应信号正弦波到方波的转换，所述的MCU控制器用于在过零点触发信号上升沿脉冲未到达前预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到X/Y无线发射单元无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器，MCU控制器接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能X/Y无线发射单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务。

所述X无线接收单元及Y无线接收单元用于监测空间同频载波信号，经过内部解调处理完成，触发MCU控制单元，所述MCU控制单元用于通过中断方式响应，通过SPI判断数据包，MCU控制单元自动模拟一个固定周期1ms高电平，通过定时器计时来清零模拟输出信号，X无线接收单元及Y无线接收单元实时接收发射端的数据包，MCU控制单元循环模拟输出，达到实现发射端的相位信号波形重现任务，接收端经过比较X、Y信号波形上升沿的时间差值，根据公式φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx即可推出相位差关系，其中，fx为感应信号频率，t1y^-t1x^为X/Y模拟信号之间的时间差。

所述的接触电极可采用金属探头方式完成原始感应信号的接收。

所述的保护电路可采用低结电容参数的瞬态抑制二极管完成对前端原始感应信号幅度的限制。

所述的滤波电路可采用有源低通滤波器，运放和RC实现，滤除0.5KHz以上频率信号，防止电网中的各种谐波信号对过零比较电路影响。

所述的过零比较电路可采用低功耗集成运放实现迟滞比较器。

所述的MCU控制器优选采用C8051F330单片机。

所述的X/Y无线发射单元优选采用SI4432无线模块。

所述的半波整流触发电路可使用整流二极管实现半波整流，经过电容滤波和电阻分压后，与参考电压比较，超过阀值后比较器输出高电平，触发使能电源管理单元。

本发明还涉及一种相位检测的方法，包括如下步骤：将原始感应信号滤波处理成方波信号，方波信号由负半波到正半波过零点时，由比较器输出一个上升沿触发信号发送给接收端，接收端实时接收并模拟一个上升沿信号输出，通过检测X/Y两路模拟信号上升沿之间差值，根据公式φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx推出相位差关系，其中，fx为感应信号频率，t1y^-t1x^为X/Y模拟信号之间的时间差。

附图说明

图1-图4为本发明工作原理示意图；

图5为本发明发射端结构示意图；

图6为本发明接收端结构示意图；

图7为本发明发射端时序图；

图8为本发明发射端流程图；

图9为本发明接收端流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

本实施例中的远距离相位实时检测装置，包括发射端和接收端，发射端主要由接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元组成；接收端主要由X无线接收单元、Y无线接收单元、MCU控制单元组成。

当发射端靠近或挂载到220V-500kV电网线路中，发射器接触电极感应到一定强度感应信号，经过保护电路，在发射器未开启状态下，滤波电路不工作，信号经过电阻、二极管组成的半波整流，转为直流量，通过电容滤波后与设置阀值开启电压比较，当感应信号大于该值时，超低功耗比较器工作，输出高电平，触发并使能电源管理单元电路，使其工作从锂电池经过一路LDO稳压芯片输出一路稳定的电源电压，使整个电路开始工作，MCU控制器上电后首先初始化X/Y无线发射单元，感应信号在发射器工作后，经过滤波电路，滤除0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，保证过零比较电路准确检测电网信号的过零点，过零点触发信号上升沿脉冲未到达前，MCU控制器预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器，MCU控制器接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能无线单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务；

接收端监测空间同频载波信号，经过内部解调处理完成，触发MCU控制单元，MCU控制单元通过中断方式响应，通过SPI判断数据包，MCU控制单元自动模拟一个固定周期1ms高电平，通过定时器计时来清零模拟输出信号，接收端实时接收发射端的数据包，循环模拟输出，达到实现发射端的相位信号波形重现任务，接收端经过比较X、Y信号间的波形上升沿的时间差值，根据前面公式即可推出相位差关系，最终完成远程相位实时检测；其中：

接触电极：通过电磁感应原理采用金属探头方式完成原始信号的接收。

保护电路：由于电网电压等级不同，周围所处电场不同，感应强度变换较大，为了保证感动信号过大造成接收电路损坏，采用低结电容参数的瞬态抑制二极管完成对前端感应信号幅度的限制，起到在不影响信号相位参数下对后端电路的保护作用。

滤波电路：根据实际电网情况，感应信号的不稳定和电网波动以及电网谐波拉弧等现象，都会造成相位检测的准确性和稳定性问题，本文采用有源低通滤波器，运放和RC实现，滤除0.5KHz以上频率信号，防止电网中的各种谐波信号对过零比较电路影响。

过零比较电路：主要完成对感应信号的过零检测功能，电路采用低功耗集成运放实现迟滞比较器，完成感应信号正弦波到方波的转换任务。

MCU控制器：采用C8051F330单片机完成对SI4432无线模块的通信模式的配置功能。

X/Y无线发射单元：为了保证检测到的感应信号相位信息实时传输到接收端，并实时还原出原始信号，确保两者间的相位误差最小，本文采用SI4432无线模块，通过MCU控制初始化为FSK调制下的OOK直通模式，感应信号经过滤波转换为方波信号后，直接输入到无线模块直通脚，实时感应信号实时调制实时传输。

指示单元：通过共阳LED实现充电和正常工作提示，完成上电提示，电量过低提示。

半波整流触发电路：使用整流二极管实现半波整流，经过电容滤波和电阻分压后，与参考电压比较，超过阀值后比较器输出高电平，触发使能电源管理单元，根据感应信号完成自动开机和关机功能。

充电单元电路：采用专用锂电池充电芯片TP4057实现，完成充电功能。

电源管理单元：由P沟道型的开关MOS管，和专用LDO电源稳压芯片TLV70033，通过对MOS管的控制实现电源启动关闭，同时经过LDO电源稳压芯片实现稳定3.3V稳压输出，提供给整个电路。

Claims (10)

1.一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，包括发射端和接收端，

所述的发射端包括接触电极、保护电路、滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元、指示单元、半波整流触发电路、充电单元电路、电源管理单元，所述的保护电路与接触电极、半波整流触发电路、滤波电路相连接，所述的半波整流触发电路还与电源管理单元相连接，所述的电源管理电源由充电单元电路供电，与滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元、指示单元连接，给整个电路供电，所述的滤波电路还与过零比较电路相连接，过零比较电路还与MCU控制器连接，MCU控制器还分别与X/Y无线发射单元及指示单元相连接；

所述的接收端包括与MCU控制单元相连接的X无线接收单元及Y无线接收单元。

2.根据权利要求1所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，

所述的接触电极用于接收原始感应信号，经过保护电路的感应信号在半波整流触发电路中转为直流量，当感应信号大于设置阈值时触发并使能电源管理单元，所述电源管理单元用于给滤波电路、过零比较电路、MCU控制器、X/Y无线发射单元及指示单元上电，所述的MCU控制器用于上电后初始化X/Y无线发射单元，所述的滤波电路用于在X/Y无线发射单元工作后滤除感应信号中0.5kHz以上的电网中的各种引起的谐波量，所述的过零比较电路用于完成感应信号正弦波到方波的转换，所述的MCU控制器用于在过零点触发信号上升沿脉冲未到达前预先配置好待发送的数据包，通过高速SPI装置到X/Y无线发射单元无线芯片内部FIFO中，上升沿到达时触发MCU控制器，MCU控制器接收到有效触发信号后，通过中断方式，使能X/Y无线发射单元发射预先装载好的数据包，完成发射任务；

所述X无线接收单元及Y无线接收单元用于监测空间同频载波信号，经过内部解调处理完成，触发MCU控制单元，所述MCU控制单元用于通过中断方式响应，通过SPI判断数据包，MCU控制单元自动模拟一个固定周期1ms高电平，通过定时器计时来清零模拟输出信号，X无线接收单元及Y无线接收单元实时接收发射端的数据包，MCU控制单元循环模拟输出，达到实现发射端的相位信号波形重现任务，接收端经过比较X、Y信号波形上升沿的时间差值，根据公式φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx即可推出相位差关系，其中，fx为感应信号频率，t1y^-t1x^为X/Y模拟信号之间的时间差。

3.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的接触电极采用金属探头方式完成原始感应信号的接收。

4.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的保护电路采用低结电容参数的瞬态抑制二极管完成对前端原始感应信号幅度的限制。

5.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的滤波电路采用有源低通滤波器，运放和RC实现，滤除0.5KHz以上频率信号，防止电网中的各种谐波信号对过零比较电路影响。

6.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的过零比较电路采用低功耗集成运放实现迟滞比较器。

7.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的MCU控制器采用C8051F330单片机。

8.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的X/Y无线发射单元采用SI4432无线模块。

9.根据权利要求1或2所述的一种远距离相位实时检测装置，其特征在于，所述的半波整流触发电路使用整流二极管实现半波整流，经过电容滤波和电阻分压后，与参考电压比较，超过阀值后比较器输出高电平，触发使能电源管理单元。

10.一种相位检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：将原始感应信号滤波处理成方波信号，方波信号由负半波到正半波过零点时，由比较器输出一个上升沿触发信号发送给接收端，接收端实时接收并模拟一个上升沿信号输出，通过检测X/Y两路模拟信号上升沿之间差值，根据公式φxy＝360*(t1y^-t1x^)*fx推出相位差关系，其中，fx为感应信号频率，t1y^-t1x^为X/Y模拟信号之间的时间差。