CN104597373A - 基于高性能dsp的声磁同步电缆故障定点检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高性能32位DSP的便携式、可视化声磁同步电缆故障定点检测装置。主要由533MHz的高性能Blackfin DSP处理器及其外围电路组合而成，包括全定向高灵敏度探地麦克风传感器及其调理电路、数字音频放大器及高保真音响级音质输出耳机、TFT真彩色液晶屏等外部电路系统。检测数据采用经验模态分解滤波技术，实现了智能背景降噪功能。测试点距电缆真正的故障点可以用两种方法计算出来，一种是冲击放电噪声的音量大小，另外一种是故障点放电时刻同时发出的声音信号与磁场信号到达传感器的时间差。本发明具有极高的计算精度和极快的计算速度；超强的抗强电磁干扰能力；多功能综合和极高的集成度。

Description

基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置

技术领域

本发明涉及电力系统及电子技术中电缆故障定点检测装置，特别是一种基于高性能32位DSP的便携式、可视化声磁同步电缆故障定点检测装置。

背景技术

随着社会的飞速发展，土地资源日趋紧张，同时为了美化环境，电力线路由以往占地多的明线方式改为地埋方式。但随之而来的问题是一旦发生故障，又由于电力电缆的跨越空间大，寻找故障点十分困难，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成难以估计的停电损失。如工矿生产事故、或银行系统、机场调度系统、铁路运输系统和生活供电的中断。另一方面，电缆线路的故障诊断比架空输电线路故障诊断任务要艰巨得多，因为电缆线路不能像架空线路那样具有直接观测性。如果电缆故障点的测试结果与实际情况相差较大，那么也就失去了意义。因此，电缆故障定点检测要求有更为精确的方法。

电缆故障检测首先需要确定电缆故障的性质；然后根据故障性质对故障点距离进行粗测；粗测后，用路径仪确定电缆路径；根据不同故障性质，选择合适的定点方法，精确测定故障点位置。因而对电缆故障点的精确定位在电缆检修中是非常关键的一项内容，直接决定了检修效率。

精确定点需要借助于一整套基于嵌入式计算机技术的检测控制装置，定位精度对嵌入式处理器的计算速度、精度与可靠性的都有很大的关系。由于其对处理器性能要求高，常规的处理器及软件算法计算精度、速度都远远不够，且抗干扰能力差，传统的技术已经落后于新兴的微电子技术，不能满足进一步提高电缆故障定点工作特性的要求。

现有的几种技术方案详细列举如下：

1)采用由三极管二级放大电路的无线调频发射器和接收无线调频发射器所发射信号的接收器构成的电力电缆故障定点仪，主要缺点是通过模拟电路实现，滤波能力弱，无法完成智能背景噪声滤除功能，例如申请号CN201210164889.8的专利申请。

2)利用高压脉冲施加到故障电缆时故障点前后电流方向一致，高压脉冲结束时由于故障点的存在，故障点前后电流方向相反，引起的电磁场变化的特性确定故障点定点位置。定点精度不够高，设备功耗大。例如申请号CN200710018621.2的专利申请。

3)虽然采用了声磁同步技术实现了电力电缆故障定点检测，但无数据处理能力，不能实现数字滤波，例如申请号CN01247002.3的专利申请。

4)采用多传感器实现的电缆故障智能定点仪，采用四路声波传感器及一路电磁波传感器，但经A/D转换器将这些信号转换成五路数字信号后，输出到单片机中，通过固化的计算程序计算出电缆故障的精确位置，单片机的处理能力弱，运行速度低，不能高效实现背景噪声滤除和精确计算声磁同步信号时间差，例如申请号CN201020256531.4的专利申请。

发明内容

本发明的目的是提供一套高精度、便携式、可视化、稳定可靠的声磁同步电缆故障定点检测装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于高性能DSP的电缆故障定点检测装置，核心的控制与检测部分包括533MHz的高性能Blackfin DSP处理器及其外围电路，同时还包括全定向高灵敏度探地麦克风传感器及其调理电路、数字音频放大器及高保真音响级音质输出耳机、TFT真彩屏等外部电路系统；检测数据采用经验模态分解滤波技术，实现智能背景降噪功能；测试点距电缆真正的故障点可以用两种方法计算出来，一种是冲击放电噪声的音量大小，另外一种是故障点放电时刻同时发出的声音信号与磁场信号到达传感器的时间差；用于检测及控制的核心电路集成在一块8层的印制电路板上。

该电路板采用8层布线，水晶工艺，表贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。本发明具有极高的计算精度和极快的计算速度；超强的抗强电磁干扰能力；多功能综合和极高的集成度。

应用32位高性能数字处理芯片DSP作为该装置的CPU，是在AD和Intel联合开发的“微信号结构”的基础上实现的。主要完成检测数据的分析处理，并以图形及数字方式给出检测分析结果，同时输出滤波处理后的声音信息。应用全定向高灵敏度探地麦克风传感器可检测来自地下的微弱声音信息，经过低通有源滤波器滤波后送入高精度转换的24位立体声AD转换芯片转换为数字信号，再通过IIS标准音频接口传输到DSP处理器。DSP中采用基于经验模态分解技术对音频信号处理，结合小波变换技术进行滤波，实现了背景噪声的滤除，同时可实现按用户设置的低通、带通、高通滤波参数进行滤波。滤波后的数据再通过数字音频放大器驱动耳机播放，可获得卓越的放电声音音质，背景更加安静，用来快速、可靠地定点故障点位置。

核心板电路采用8层布线，水晶工艺，表贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。

由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果是：具有极高的计算精度和极快的计算速度；超强的抗强电磁干扰的能力；多功能综合和极高的集成度。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明基于高性能32位DSP的便携式、可视化电缆故障定点检测装置原理图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

参见附图1，一种基于高性能32位DSP的便携式、可视化电缆故障定点检测装置，主要由533MHz的高性能Blackfin DSP处理器及其外围电路组合而成，包括全定向高灵敏度探地麦克风传感器、有源低通滤波器、24位立体声AD转换器、数字音频放大器及高保真音响级音质输出耳机、TFT液晶驱动及真彩屏、Flash及SDRAM存储设备等外部电路系统。用于检测及控制的核心电路集成在一块8层的印制电路板上。

各电路的原理和功能设计如下：

核心处理器采用美国AD公司的高性能Blackfin系列32位DSP芯片，该芯片主频达533MHz，集成外部存储器接口、SPI、IIC、IIS、UART、USB等接口。其主要功能是控制对探地麦克风传感器检测的模拟信号AD转换、数字信号处理、播放滤波后的声音信息、设置电缆故障定点检测方式、配置检测参数、图形化显示检测处理结果，实现了故障定点检测的智能化与可视化，方便用户操作及电缆故障定点。

ADC采用美国TI公司PCM1803A模数转换芯片，该芯片为单端模拟输入，24位96kHz立体声AD转换器。在DSP的控制下，对低通有源滤波后的传感器检测信号采样转换，转换结果通过24位标准IIS接口传输给DSP处理器。

音频放大器采用美国MAXIM公司的MAX9850立体声音频DA转换芯片，该芯片支持多种音频信号输入方式，与DSP处理器接口方便，工作参数可灵活设置。对DSP处理后的数字音频信号实现DA转换并通过音响级音质耳机播放。

显示模块采用TFT CSTN液晶驱动器驱动7寸24位真彩色320×240像素液晶显示屏，便于用户设置参数，输入指令和查看检测结果。

存储器采用4MB线性Flash存储程序、32Mbit串行Flash存储系统参数，采用16MB SDRAM存储数字信号处理的中间数据。

电池电压检测采用美国AD公司AD7995芯片，该芯片为4通道10位AD转换芯片。对电池电压实现实时检测，并以图形化方式显示电量变化情况，低电压是通过声音提示用户更换电池。

该核心板采用8层布线，中间两层分别为电源层和电源地层，根据电路板上元器件的布局对电源层和电源地层进行了分割。元器件焊盘为水晶工艺，实现全部表贴电路，欧式插接件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。

该定点检测装置研发的主要技术难点如下：

1)通过声磁同步信号到达传感器的时间差计算故障点距离，要求有非常高的计算精度和数据处理速度；本发明采用533MHz的高性能Blackfin DSP处理器替代了传统定点仪中使用的单片机等处理器。

2)由于定点检测时大多在野外工作，同时需要对电缆施加高压击穿放电，需要有超强的抗强电磁干扰的能力；本发明采用多层布板，并对电源层及地层进行有效分割等技术有效保证了这点。

3)要提取出车站、铁路等复杂环境中背景噪声掩埋下的微弱放电信号及磁场信号，需要有非常有效的环境噪声滤除功能；本发明采用基于经验模态分解技术及小波滤波技术实现了智能背景降噪技术。

4)在野外定点操作时需要装置有较长的电池续航能力，本发明采用低功耗设计，可保证装置在6只5号碱性电池供电的情况下连续工作10小时。

5)便于用户操作和观察的可视化软件，有助于用户快速实现故障定点本专利采用。本发明采用TFT真彩屏实现了图形文字相结合的方法显示测试结果。

这些技术难点决定了该装置的开发具有非常大的技术难度。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：核心的控制与检测部分包括533MHz的高性能Blackfin DSP处理器及其外围电路，同时还包括全定向高灵敏度探地麦克风传感器及其调理电路、数字音频放大器及高保真音响级音质输出耳机、TFT真彩屏等外部电路系统；检测数据采用经验模态分解滤波技术，实现智能背景降噪功能；测试点距电缆真正的故障点可以用两种方法计算出来，一种是冲击放电噪声的音量大小，另外一种是故障点放电时刻同时发出的声音信号与磁场信号到达传感器的时间差；用于检测及控制的核心电路集成在一块8层的印制电路板上。

2.根据权利要求1所述的基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：应用主频达533MHz的高性能Blackfin DSP处理器完成数据采集、处理、输出及可视化显示的功能。

3.根据权利要求1所述的基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：用于控制及数据处理的核心器件为美国AD公司Blackfin系列高性能32位DSP处理器，在该DSP中编程实现了对探地麦克风传感器检测信号进行高速AD转换、将处理后的数据通过音频放大器输出、同时通过TFT真彩色液晶屏以图形化方式显示。

4.根据权利要求1所述的基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：对探底麦克风传感器检测的数据采用基于经验模态分解技术处理，结合小波变换技术进行滤波，实现了背景噪声滤除的功能，同时实现了按用户设置的低通、带通、高通滤波参数进行滤波，使用户可以根据测试现场噪声情况灵活设置，获得理想的测试结果。

5.根据权利要求1所述的基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：装置采用9V电池供电，同时通过十位IIC接口ADC检测电池电量，对检测的电量采用图形化显示，低电压时通过声音提示用户更换电池。

6.根据权利要求1所述的基于高性能DSP的声磁同步电缆故障定点检测装置，其特征在于：核心板采用8层布线，中间两层分别为电源层和电源地层，根据电路板上元器件的布局对电源层和电源地层进行分割；元器件焊盘为水晶工艺，实现全部表贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。