CN106772136B - 一种阵列扫描与采集控制系统 - Google Patents

一种阵列扫描与采集控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阵列扫描与采集控制系统，包括被动式阵列磁感应天线装置和信号处理控制系统，所述的信号处理控制系统包括滤波调理电路、外部基准电路、高速模数转换器、阵列扫描与采集控制器和DIP开关。本发明通过被动式阵列磁感应天线装置作为输电线路的位置与距离的感知和检测装置，实时感知输电线的存在与否，同时通过感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路对无人机的飞行调整提供判别依据。而且能够灵活通过设定阵列扫描与采集控制系统根据需要控制被动式阵列磁感应天线装置进行不同模式的扫描，从而实现快速扫描驱动和信号采集，并将信息传输给后面的姿态与数据处理器。

Description

一种阵列扫描与采集控制系统
技术领域
本发明涉及电力系统输配电行业飞行器巡线自动检测技术领域，尤其涉及一种阵列扫描与采集控制系统。
背景技术
目前，电力公司对输电线路的维护、检测和抢修等作业，基本上依然按照区段划分任务，依靠人工现场对线路巡情况进行检查。线路缺陷发现的及时和准确性，取决于巡线员业务能力、责任心和班组管理人员的监察巡视的落实，不能杜绝因巡视不到位引发的各种事故的发生。同时，有些输电线路架设在深林、湿地、高山地区，人员到达缓慢、困难、效率低，不可能做到定期巡视维护，冰雪、地震、洪涝灾害等恶劣自然条件下巡检难度更大。
目前取代人工巡线的主要方法是采用无人机巡检作业，包括遥控巡检飞行和自主避障跟踪巡检飞行两种作业方式，两种作业方式都需要飞行器与输电线路保持合理的距离和相对位置，方便的线路跟踪、避障技术等，而且最重要的即为如何设置磁感应天线搭载无人机对输电电路进行探测。现有的技术无法满足此要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种阵列扫描与采集控制系统，实现对工频输电线路周围磁场强度大小进行采集、监测和分析，从而为无人飞行器的位置测量、避障和跟踪线路作业提供方便。
本发明采用下述技术方案：
一种阵列扫描与采集控制系统，包括设用于采集电磁感应的被动式阵列磁感应天线装置和用于对采集信号进行分析处理的信号处理控制系统，所述的信号处理控制系统包括滤波调理电路、外部基准电路、高速模数转换器、阵列扫描与采集控制器和DIP开关，所述被动式阵列磁感应天线装置的输出端连接滤波调理电路输入端，滤波调理电路的输出端通过高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，DIP开关与外部基准电路的输出端也通过高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，阵列扫描与采集控制器的输出端连接被动式阵列磁感应天线装置的输入端。
所述的被动式阵列磁感应天线装置包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接。
所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低阻开关接地。
所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。
所述的谐振采样电路中电容为独石电容。
所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
所述的滤波与调理电路包括运算放大器LM358D以及由第一、第二、第三电阻、第一、第二电容组成的外部基准电路组成。
所述的高速模数转换器采用AD9223搭配外部基准电路组成高速采样电路。
所述的阵列扫描与采集控制器采用STM32F104，运算速度远远高于高速模数转换器AD9223的采样速率。
本发明通过被动式阵列磁感应天线装置作为输电线路的位置与距离的感知和检测装置，实时感知输电线的存在与否，同时通过感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路对无人机的飞行调整提供判别依据。而且能够灵活通过设定阵列扫描与采集控制系统根据需要控制被动式阵列磁感应天线装置进行不同模式的扫描，从而实现快速扫描驱动和信号采集，并将信息传输给后面的姿态与数据处理器。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明所述被动式阵列磁感应天线装置的电路原理图；
图3为本发明所述单个电磁感应子单元的局部接线示意图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，本发明包括包括设置在无人机机头用于采集电磁感应的被动式阵列磁感应天线装置和设置在无人机机身内部的用于对采集信号进行分析处理的信号处理控制系统，所述的信号处理控制系统包括滤波调理电路、外部基准电路、高速模数转换器、阵列扫描与采集控制器和DIP开关，所述被动式阵列磁感应天线装置的输出端连接滤波调理电路输入端，滤波调理电路的输出端通过高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，DIP开关与外部基准电路的输出端也与高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，阵列扫描与采集控制器的输出端连接被动式阵列磁感应天线装置的输入端。
所述的被动式阵列磁感应天线装置包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接。
所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
所述的滤波与调理电路包括运算放大器LM358D以及由第一、第二、第三电阻、第一、第二电容组成的外部基准电路组成。
所述的高速模数转换器采用AD9223搭配外部基准电路组成高速采样电路。
所述的阵列扫描与采集控制器采用STM32F104，运算速度远远高于高速模数转换器AD9223的采样速率。阵列扫描与采集控制系统依照DIP开关的预先设定(也可由软件控制实现)，可以工作于逐点扫描采集、逐列扫描采集、逐行扫描采集等工作模式。
传感阵列装置作为输电线周围磁场信息探测、检测环节，由扫描采集控制环节控制，实现磁场分布状态与强度信息的采集，再由后续数据信号处理环节解算出被探测目标(高压输电线路)的位置、距离等信息。
所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低阻开关接地。所述的谐振采样电路中电容为独石电容。所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。谐振采样电路中第一电容C3一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，第二电容C4和第三电容C5电容一端也与稳压电源输出端相连，另一端通过低阻开关接地。
实际工作中，采用不同扫描采集工作模式，对应了后续采样电路的匹配与数据处理，主要是匹配谐振电路的等效性(不同工作方式，匹配不同的谐振等效电容)。被选通的电磁感应线圈和谐振采样电路组成谐振信号采样电路，采集到的电磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器以高于50HZ一个数量级以上的频率，对其进行高频采样，并实时传送给阵列扫描与采集控制器。
阵列扫描与采集控制器对某单元采样一组数据，采集第一个数据并判断是否为极值点或零点，然后采集第二个数据并判断是否为极值点或零点，依次类推直到找到极值点或零点，然后按照设计的算法进行幅值的判别、计算、存储等操作，对于一个单元该过程总耗时不会超过周期信号的四分之一周期，由此可将50HZ交流信号每单周期的幅值采样时间缩短至小于5ms。然后以极值点或零点为时间标记启动下一单元数据组采样，依次类推完成所有单元的扫描与采集。
被选通单元的电磁感应线圈和谐振采样电路组成谐振信号采样电路，采集到的电磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器以高于被测量喜欢频率一个数量级以上的速率，对其进行高频采样，并实时传送给阵列扫描与采集控制器。
本发明通过非限定性的举例对本发明的优选实施方法作进一步说明。高压输电线路通常沿与地面平行方向架空敷设，依据电压等级不同线路与地面的距离是固定的某确定值(斜坡、丘陵地带也是如此)，本发明针对被动式阵列磁感应天线装置采用10×10矩阵阵列，阵列扫描与采集控制系统阵列扫描与采集控制器控制列驱动电路和行驱动电路，可以按照设定顺序依次选通10×10矩阵诸单元。
被选通单元的电磁感应线圈与谐振和采样电路组成谐振信号采样电路，采集到的电磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器以高于被测量信号频率一个数量级以上的速率，对其进行高频采样，并实时传送给阵列扫描与采集控制器。阵列扫描与采集控制器对每一单元采样一组数据，采集第一个数据并判断是否为极值点或零点，然后采集第二个数据并判断是否为极值点或零点，依次类推直到找到极值点或零点，然后按照设计的算法进行幅值的判别、计算、存储等操作，对于一个单元该过程总耗时不会超过周期信号的四分之一周期，由此可将50HZ交流信号每单周期的幅值采样时间缩短至小于5ms。然后以极值点或零点为时间标记启动下一单元数据组采样，依次类推完成所有单元的扫描与采集。每单元选通、采样、幅值判别处理与存储后，依次进行下一单元的重复操作，直至完成全部单元的操作，此为一个完整的扫描采样周期。传感阵列组件在阵列扫描与采集控制系统的控制下，按照上述过程循环往复的持续工作。
按照设定的工作方式(可通过DIP开关拨码选择)，输出列驱动、行驱动信号，依次选通某磁感应单并元与谐振电容C(不同的的工作方式，该值不同)组成谐振选频电路，谐振电路输出的采样信号经由滤波调理电路初步出理，由高速模数转换器进行高速采集和转换，高速转换频率远高于输电线路交流电的50HZ，为后续的倍频数据处理奠定硬件基础。阵列扫描与采集控制器除负责按时间顺序输出列、行驱动选通信号外，在每个单元的采样时段内，还要进行采样数据的数值滤波、过零判别、幅值提取、存储操作，并在全部单元n×m个完成扫描和采样后，将数据组通过高速数据口传输给姿态与数据处理器，然后重复下一周期的扫描、采样、处理、传输操作，循环往复以致无穷。
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。一种阵列扫描与采集控制系统由滤波调理电路、外部基准电路、高速模数转换器、阵列扫描与采集控制器和DIP开关组成，对10×10矩阵型电磁场传感阵列进行扫描驱动与信号采样控制。列驱动10路，高电平有效；行驱动10路，高电平有效；行控制1路，低电平导通，高电平截止。依据列、行信号有效的组合，可产生逐点扫描、逐列扫描、逐行扫描和面扫描。
所述10×10矩阵型电磁场传感阵列有100个磁感应单元按照10行、10列分布，
本发明的磁感应单元，每个磁感应单元由2个电感线圈和2个低导通电阻开关管组成，两个电感量L1＝L2＝50mH、外形9×12mm的线圈分别安装在电路板的正反面，成正交分布。列驱动和行驱动有效时(高电平)，对应单元的电感被选通(L1和L2)，与谐振电容C组成并联谐振采样电路，在低导通电阻开关管的控制下扫描和采样工作模式不同，对应C的取值不同，工作于逐列扫描采集模式C＝C3、逐点扫描采集模式C是C3和C4的并联、逐行扫描采集模式C是C3和C4及C5三者并联，谐振采样电路对磁感应信号进行采集。与此同时，Q3处于截止状态，当列驱动有效而行驱动无效时，Q3处于导通状态而将本单元的电感短路，此时处于同列其它行(非本行)单元的采样时段。其中第i行、第j列的单元电路如图3所示。需要说明的是，为了便于描述单元电路的特点与工作原理，对本单元周边的电路做了简化或等效处理。概括的描述，本发明中单元电路与外部的连接信号有六类九处：
A点，接列控制信号Lj，高电平有效，QLj导通，选通该列；反之QLj截止。
B、C点，C接下一列对应的列驱动管，B接列上一列对应的列驱动管直到谐振采样电路，各列是并联关系。BC通道也称为列选择通道。
D点，接行控制信号Hi，高电平有效，QHi导通，选通该行，通过行控制管QH10接地(逐点扫描和逐行扫描工作模式时，H10为低电平，行控制管QH10导通)，或通过QH9接地(逐列扫描和面扫描工作模式时，H10为高电平，QH10截止；而此时H10为高电平，QH9导通，各列的串联信号经QH9接地)。
E点，接行控制管QH10(除最后行外)后到地。逐点扫描和逐行扫描工作模式时，QH10导通；逐列扫描和面扫描工作模式时，QH10截止。
F点，接下一行对应的与门。
G点，接下一行对应的电感。
K点，为0～9个信号，逐行信号数量递减，每个信号连接本列后面各单元的短接管Qij’。
S点，接前一列的行选择通道，由行驱动管QHi控制该通道与地线的“通”与“断”。
L，单元电感，由两个电感L1和L2串联组成，取L1＝L2，采用9X12-50MH电感(定制)。
滤波与调理电路，运算放大器、R、R1、R2、C组成二阶低通滤波、放大电路，高速采样环节由高速模数转换器AD9223和外部基准电路组成。AD9223是12位、单点源供电转换器，采样速率1.5MSPS、3.0MSPS、10MSPS可选，本应用设定为(周期为0.0015ms)。
阵列扫描与采集控制器采用STM32F104，主频72M，指令平均执行速度是1.25MIPS/Mhz(STM32有三级流水线，指令周期不定的，arm给出的是1.25MIPS/Mhz，一个平均执行速度。)，所以平均一条指令的执行周期是1/(72×1.25M)＝0.011μs，完全满足高速数据采集与处理的要求。由于STM32F104的运算速度远远高于AD9223的采样速率，所以，阵列扫描与采集控制器对每一单元采样一组数据的时间Tx，主要取决于AD9223的采样速率。
以逐点扫描采集工作方式为例，本发明的分析计算过程如下：
阵列扫描与采集控制器(后面简称：控制器)发出指令，启动某循环单元1～单元100的扫描驱动与采集，循环周期为T；
每单元幅值采集处理时间记为Tx(x＝1,2,3,…,100)，按照普通的方法，对50HZ交流信号的幅值采样需要在不少于一个周期(20ms)时间内进行一定间隔的连续采样，采样持续时间不得少于被测信号的一个周期，获取一组采样值，从中比较、筛选出最大值作为幅值信号，如此方法获取一个单元的幅值信号的时间不会低于20ms，完成100个单元的幅值采集处理时间不会少于2s，速度太慢，应用受限。
本发明采用方法是：从单元采样起始，控制器控制AD9223按照1.5MSPS采样速率(周期为0.667μs)，连续采样并传输10个点的数据，10个数据组成一个数据帧，然后控制器对获取的10个数据(一帧)进行数字滤波、阈值比对、极值点和零点(统称：极值)判断处理，如果没有发现极值点或零点，则重复进行下一数据帧的采样传输；否则，经条件确认后(找到极值点或零点)停止下一个数据帧采集传输，转而执行50HZ交流信号的幅值计算处理，这种根据极值点或零点，对固定频率信号采用查表计算法，至此本单元的扫描采集完成，转而顺序进行下一单元的扫描采集。由于AD9223的采样周期和STM32F104指令周期远小于50HZ交流信号20ms，低1～2个数量级，在交流信号1/4周期5ms内可采集多于700个数据帧(也就是说对于1/4周期的信号可以等间隔或不等间隔的采集700多个点)，足于保正极值点和零点的识别与幅值计算的精度要求，
工作方式控制：

Claims (7)

1.一种阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：包括设用于采集电磁感应的被动式阵列磁感应天线装置和用于对采集信号进行分析处理的信号处理控制系统，所述的信号处理控制系统包括滤波调理电路、外部基准电路、高速模数转换器、阵列扫描与采集控制器和DIP开关，所述被动式阵列磁感应天线装置的输出端连接滤波调理电路输入端，滤波调理电路的输出端通过高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，DIP开关与外部基准电路的输出端也与高速模数转换器连接阵列扫描与采集控制器的输入端，阵列扫描与采集控制器的输出端连接被动式阵列磁感应天线装置的输入端；
所述的被动式阵列磁感应天线装置包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；
所述的磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端分别通过与其相对应的低阻开关接地。
3.根据权利要求2所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。
4.根据权利要求3所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的谐振采样电路中电容为独石电容。
5.根据权利要求4所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
6.根据权利要求5所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的高速模数转换器采用AD9223搭配外部基准电路组成高速采样电路。
7.根据权利要求6所述的阵列扫描与采集控制系统，其特征在于：所述的阵列扫描与采集控制器采用STM32F104，运算速度远远高于高速模数转换器AD9223的采样速率。
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