CN113885356B

CN113885356B - 一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法

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Publication number: CN113885356B
Application number: CN202111191659.6A
Authority: CN
Inventors: 郭在华; 侯春燕; 苏德斌; 唐田野; 樊昌元
Original assignee: Chengdu University of Information Technology
Current assignee: Chengdu University of Information Technology
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2041-10-13
Also published as: CN113885356A

Abstract

本发明涉及电子信息技术领域，提供了一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法，本发明的目的在于操作简单，性能稳定，成本低廉的雷电波形仿真，避免了每次获得雷电波形需要进行大电流冲击试验。主要方案包括数字式雷电波形仿真器采用STM32F103VET6作为核心控制器，利用MATLAB制作脚本生成雷电波形双指数函数数据表，通过DMA将数据从存储器搬运到外设，经过软件滤波后，由DAC进行输出。最后，通过输入参数，使波形仿真器能够产生所需参数的电压波形。本发明用于雷电流经过传感器变换之后的波形仿真。

Description

一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，提供了一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法。

背景技术

雷电是自然界中经常发生的一种大气放电现象，它能够产生高强度的电磁脉冲，每年都会造成巨大的人身和财产损失，已引起社会的重视。雷电流波形具有波头时间、波后时间、陡度因子等参数，这些参数直接影响电子线路和电力设备的抗雷性能，也是评价电力电子系统雷击事故严重性的重要依据。雷电的危害与雷电流的幅值和雷击波形有着密切的关系，雷电流是雷电特性的主要特征，因此，本文结合雷电流波形的特点和参数，研制其仿真开发器，对雷电试验、相关开发具有十分重要的意义。

随着计算机、通信、微电子等电子技术的发展和普及，雷电对电力电子系统的危害性日益严重，在对雷电进行的防护中，有时需要对雷电进行监测和记录，由于自然闪电不易开展试验，目前采用的方法需要雷电冲击平台来产生模拟电流，通过传感器得到对应电流的感应电压，成本高，损耗设备，因此开发一款能实现人工可调电压幅度与时间参数的数字式雷电波形仿真器，希望能改善在进行雷电相关试验时成本高、损耗设备的缺点。

对于雷电波形仿真器的研究国内外大概以下有几种方法。

一种是雷电冲击平台，由冲击发生器本体、截波装置、分压器等部分组成，采用RLC电路放电原理，通过回路转换实现大电流的8/20s和10/350s模拟雷电流波形输出。它是高电压试验室的基本试验设备之一,它是一种能够模拟雷电及操作过电压等冲击电压的电源装置，它能够对电力设备进行雷电冲击波、操作冲击波的冲击电压试验，以检验设备绝缘性能，是防雷检验和质量检测的关键设备。

一种是传统的通过模拟电路构建雷电信号源，利用模拟电路进行充放电实现传感后端的波形模拟，缺点是功能单一，参数调节困难，应用时也用时较长。

还有逄锦昊在2021年提出的基于FPGA的波形发生器，FPGA指的是现场可编程门阵列，它属于专用集成电路中的一种半定制电路，既能克服定制电路的缺点，又能解决可编程器件门电路数有限的不足。它的实现原理是根据用户输入的参数指令产生波形数据，波形数据经过量化后通过PCIe总线传输到内核，进而存储到DDR4，按照 DAC的分辨率量化波形的位数，采用多路并行波形发生，在每个时钟周期，同时从DDR4中取出多个波形数据，数字滤波后输出。

还有滕友伟在2020年提出的基于多语言混合编程的波形发生器，它采用了应用层、功能模块层、驱动层、板级控制层的结构设计，其应用层采用Visual Studio 2013平台中基于C#语言的WPF用户界面框架设计，功能模块层采用了MATLAB R2014a平台来产生数据和波形，驱动层采用Visual Studio 6.0和WinDriver10.0联合开发设计，板级控制层设计采用C/C++程序语言实现对电路的控制。其实现流程是首先在软件上配置各种参数，然后通过MATLAB读取配置参数、生成波形数据，将波形数据存储到硬盘，读取并显示数据，最后输出波形。

发明内容

本发明的目的在于操作简单，性能稳定，成本低廉的雷电波形仿真。

为实现上述目的本发明采用以下技术手段：

本发明提供了一种数字式雷电波形仿真装置，包括：

MCU模块：整体逻辑控制单元；

液晶屏：用于显示模拟的雷电波形；

按键模块：用于设置雷电流波形的幅度、波形；

电源电路：提供3.3V及5V工作电压；

排针：连接MCU模块的DAC，进行波形的输出；

存储器：用于存储利用MATLAB根据双指数函数关系计算生成的模拟雷电流波形数据，得到雷电波形双指数函数数据表；

DMA：DMA可以在不占用CPU的情况下进行数据从存储器到外设的搬运，DAC的作用是把数字编码转换成对应的模拟电压输出，用于模拟雷电波形的输出。

在上述技术方案基础上，雷电波形仿真方法，包括以下步骤：

获取雷电流波形数据，根据使用者输入处理波形数据，在液晶屏上画出波形，DAC输出电压波。

在上述技术方案基础上获取雷电流波形数据包括以下步骤：

利用MATLAB根据双指数函数关系计算生成模拟雷电流波形数据，得到雷电波形双指数函数数据表，并且转化成 DAC寄存器能够使用的对应的值；

其中双指数函数关系为：

，其中/>

为输出电压，t为时间，k、α、β是影响雷电波峰值、波头时间、半峰值时间的系数，常数/>

。

在上述技术方案基础上根据使用者输入处理波形数据包括以下步骤：

通过2个按键控制电压波的类型和幅度，定义2个无符号字符型的全局变量，mode和amplitude，初始值分别为0和2;

按键1控制波形类型，8/20μs波形或10/350μs波形；

按键2控制波形幅度，即初始雷电波形数据的放大倍数，最小2倍最大20倍，使得雷电波在10kA到100kA范围内变化；

当微控制器检测到按键1被按下时，mode变量自加1，当mode的值等于2时，将mode的值置0，控制mode在0~1范围内变化，当mode的值等于0时，仿真器显示和输出8/20μs波形，当mode的值等于1时，仿真器显示和输出10/350μs波形；

检测到按键2按下后amplitude变量自加1，amplitude变量在2~20范围内变化，当amplitude自加1后值为21时，将amplitude的值设置为2，将amplitude乘以初始波形数据就能得到放大后的波形数据。

在上述技术方案基础上在液晶屏上画出波形包括以下步骤：

先将波形数据，通过下式转换为液晶屏的坐标数据, 再经过作图函数，便能在液晶屏上画出图形;

temparray[idx] =y - k * amplitude * initial_fun_data1[idx]。

其中temparray为显示数据的数组，k为缩小系数， y为液晶屏纵轴上的个像素点个数，amplitude为放大倍数，由按键2控制，initial_fun_data为8/20μs波形数据的数组，idx为数组的标号。

在上述技术方案基础上DAC输出电压波包括以下步骤：

DAC的默认设置为双通道右对齐，所以有DualFun12bit[Idx] = (amplitude *Fun12bit1[Idx]<<16) + (amplitude * Fun12bit1[Idx])，其中DualFun12bit为输入DAC寄存器的数据的数组，Fun12bit1为8/20μs的波形数据或者10/350μs波形数据。

因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

数字式雷电波形仿真器采用STM32F103VET6作为核心控制器，利用MATLAB制作脚本生成雷电波形双指数函数数据表，通过DMA将数据从存储器搬运到外设，经过软件滤波后，由DAC进行输出。最后，通过大量的试验和调试，使波形仿真器能够产生所需参数的电压波形。试验结果表明，该数字式雷电波形仿真器能够达到设计要求，且操作简单，性能稳定，安全性高。

附图说明

图1-雷电波形仿真操作流程简图；

图2-数字式雷电波形图；

图3-MCU原理图；

图4-JTAG下载接口原理图；

图5-电源输入电路

图6-电源电路；

图7-按键原理图；

图8 -ISP一键下载电路原理图；

图9-20kA的8/20μs波形仿真图，图中左边部分为液晶屏显示的8/20μs波形，右边为示波器捕获的8/20μs波形；

图10-45kA的8/20μs波形仿真图，图中左边部分为液晶屏显示的8/20μs波形，右边为示波器捕获的8/20μs波形；

图11-50kA的8/20μs波形仿真图，图中左边部分为液晶屏显示的8/20μs波形，右边为示波器捕获的8/20μs波形；

图12-90kA的8/20μs波形仿真图，图中左边部分为液晶屏显示的8/20μs波形，右边为示波器捕获的8/20μs波形；

图13-90kA的10/350μs波形仿真图，图中左边部分为液晶屏显示的10/350μs波形，右边为示波器捕获的10/350μs波形。

具体实施方式

为方便本领域技术人员更好理解本发明技术方案，因此结合实施例作出如下说明：

雷电流是一种单极性的非周期脉冲，它通常在一段很短的时间内发生，首先从零上升到峰值，然后以相对较慢的速度从峰值降至零。单极性脉冲雷电波的波形主要有三个重要的参数：峰值、波头时间和半峰值时间。雷电波的峰值是指在一次雷闪中雷电流的最大值；雷电流的波头时间是指雷电流由零上升到峰值所需的时间，因为在雷电流的起始处有叠加振荡，因此很难确定雷电流的真实零点，所以通常在雷电流波形的上升沿段的0.1Im和0.9Im处取两点，分别记为A、B，连接AB两点并延长连线，延长线将与时间轴和峰值的水平线的交于两点，这两点记为M、C，那么M与C的水平间距就称为波头时间，记为T1；半峰值时间是指雷电流由零幅值上升到峰值，然后从峰值下降到一半峰值的时间，将0.5Im的半峰值水平线正向延长，延长线与雷电流波形尾部会交于一点，这一点记为D，一般来说M、D两点间的水平距离就被称为半峰值时间，记为T2，此时，该波形可以记为T1/T2波形，如图2所示。

经过大量的试验和观察表明，雷电流随时间的上升和下降都呈现近似指数规律变化，可通过雷电流波形双指数函数表示，在工程应用中，雷电流

也通常用双指数函数表达：

其中：Im为电流峰值；

α为波前衰减系数；

β为波尾衰减系数。

Im、α和β的是决定雷电流波形三个重要参数的系数：电流峰值、波头时间和半峰值时间。

本发明提供的一种数字式雷电波形仿真装置，主要包括MCU模块，按键模块，LED模块，ISP一键下载电路，复位电路，JTAG下载接口，晶振电路，液晶接口，USB转串口电路，电源电路和排针。通过按键，使用者可以设置雷电流波形的幅度、波形，然后MCU会通过液晶屏进行波形的显示并且通过排针进行波形的输出。

本仿真器选用STM32F103VET6微控制器作为主控芯片。STM32F103VET6属于嵌入式微控制器，它是一种集成电路，该控制器的内核是Cortex-M3，主频为72MHz，CPU位数为32位，有一个USB，一个CAN通信，一个SDIO，两个I2C，两个SPI，两个基本定时器，两个高级定时器，五个USART，80个GPIO，12位ADC三路共有16个通道，12位DAC路共有2个通道。本设计主要用到了微控制器的DAC和DMA外设。DMA可以在不占用CPU的情况下进行数据从存储器到外设的搬运，DAC的作用是把数字编码转换成对应的模拟电压输出，用于模拟雷电波形的输出。

整个系统供电包括5V、3.3V。本设计的电源电路部分由一个拨动开关、一个SMAJ5.0CA瞬变抑制二极管、一个额定电流500mA的保险丝、一个1117-3.3稳压芯片和若干电容组成。5V主要用于对CH340G芯片和LCD的供电。3.3V主要对STM32F103、指示灯、下载及复位模块、按键、LED、排针等进行供电。

本发明还提供了一种数字式雷电波形仿真方法，现在结合实施例做如下说明：

输出模拟雷电波形就是通过控制DAC按照

的双指数函数关系输出电压，其中/>

为输出电压，t为时间，k、α、β是影响雷电波峰值、波头时间、半峰值时间的系数，由用户决定。DAC输出的信号是连续的，而嵌入式微控制器芯片内的波形是离散的，因此在输出电压信号时，如果输出的时间间隔过长就会看到波形成明显的阶梯状。所以只有将输出的时间间隔缩短，提高输出的点的数量，才能得到近似逼近双指数函数的波形。如果能在外部加上合适的电容滤波电路，还可以得到更加逼近双指数函数的波形。通常不会通过嵌入式微控制器实时计算获取/>

函数对应的电压值数据，而是使用脚本预先计算好函数的电压数据表，并且转化成 DAC寄存器能够使用的对应的值。

本发明总体流程如下：获取雷电流波形数据——根据使用者输入处理波形数据——在液晶屏上画出波形——DAC输出电压波。①首先是获取雷电流波形数据，本文采用的雷电波模型是雷电双指数函数模型，雷电流波形数据一般不会由实时计算获取，避免占用CPU，造成资源的浪费，而通常是事先通过MATLAB或者Python脚本计算，再将数据存入微控制器得到的。②其次是如何根据输入处理波形数据。使用者可以通过2个按键控制电压波的类型和幅度，于是在程序中定义2个无符号字符型的全局变量，mode和amplitude，初始值分别为0和2。按键1控制波形类型，8/20μs波形或10/350μs波形；按键2控制波形幅度，即初始雷电波形数据的放大倍数，最小2倍最大20倍，使得雷电波在10kA到100kA范围内变化。当微控制器检测到按键1被按下时，mode变量自加一，因为本仿真器只输出2种波形，所以当mode等于2时，令mode等于0，控制mode在0~1范围内变化，当mode等于0时，仿真器显示和输出8/20μs波形，当mode等于1时，仿真器显示和输出10/350μs波形。同理，检测到按键2按下后amplitude变量自加一，amplitude变量在2~20范围内变化，将amplitude乘以初始波形数据就能得到放大后的波形数据。③如何在液晶屏上画出波形。要想在液晶屏上作图，就要先将波形数据转换为液晶屏的坐标数据。本仿真器选用的液晶屏规格是240*320大小的，并且是横屏显示的。先画好坐标轴，除去坐标轴和一定的空白区域，横轴上大概有280个像素点可以作图，纵轴上大概有220个像素点可以作图。因为液晶屏设置为横屏显示，且文字为从左至右显示，无镜像效果，所以有temparray[idx]= 220 - k * amplitude * initial_fun_data1[idx]。其中temparray为显示数据的数组，k为缩小系数，保证数据不超出0~220的范围，amplitude为放大倍数，由按键2控制，initial_fun_data1为8/20μs波形数据的数组。经过这个式子，波形数据转换为显示数据了，再经过作图函数，便能在液晶屏上画出图形。④DAC输出模拟雷电波。因为STM32F103VET6的DAC的分辨率为12位，所以DAC寄存器可接受的数据范围为0~2^12，即0~4096，而且DAC的默认设置为双通道右对齐，所以有DualFun12bit[Idx] = (amplitude *Fun12bit1[Idx]<<16) + (amplitude * Fun12bit1[Idx])，其中DualFun12bit为输入DAC寄存器的数据的数组，Fun12bit1为8/20μs的波形数据。

程序开始运行后，首先初始化外设，主要初始化液晶屏、设置液晶屏字体为8X16、设置液晶屏背景为白色字体为黑色、液晶屏显示初始波形、单片机输出初始波形；然后循环检测按键1和按键2是否被按下，若按键1被按下，则改变输出的波形，单片机默认首先输出8/20μs模拟波形，按键1被按下后改变为输出10/350μs模拟波形；若按键2被按下，则改变输出波形的幅度。

数字模拟转换器（Digital to Analog Converter），简称DAC，它的作用是将计算机中的离散的数字编码信号转换为连续的模拟信号。在数字信号系统中，大部分传感器能够将其他物理量转换为电压量，模拟数字转换器ADC负责将电压转换为计算机容易处理、存储的数字编码信号，经过计算器的操作处理后，DAC将数字编码信号转换为电压信号，输出给可控制器件，实现计算机对各种物理量的感知。

在STM32中，DAC主要由触发选择器、控制寄存器、数据保持器、控制逻辑、数据输出寄存器、数字至模拟转换器、参考电压、输出通道等部分组成。DAC的核心部分是数字至模拟转换器，其他部分围绕它而展开，它以V_REF+为参考电压、以数据输出寄存器DORx的值为输入，经过它的转换后，模拟信号由输出通道DAC_OUTx输出。

在程序设计中，定义了由脚本计算得到的模拟雷电流波形数据变量，一共有280个点。在DAC模式初始化函数中，调用了DAC配置函数、DAC定时器配置函数来初始化DAC和定时器，然后在for循环中将单通道的波形数据复制扩展成为双通道的数据，扩展后的数据会被DMA搬运到DAC的数据保持寄存器中。经过这样的设置后，每当按键按下，定时器便会每隔一段时间触发一次，使DMA将波形数据表中一个点的数据搬运到DAC双通道寄存器进行转换，每当按键按下便会重新开始循环，达到按键控制DAC输出连续信号的效果。

按键处理模块：按键在按下和弹起时不会马上稳定连接或者断开，而是会产生一段带抖动的信号，影响单片机对按键状态的判断，因此需要对按键进行消抖处理。本发明每个按键两端并联有大小为104的电容，按键按下和弹起时产生的带纹波信号会被电容直接滤掉，节省了软件的滤波或者等待的代码量，STM32直接检测电平就能知道按键的状态。

要实现按键对波形类型和幅度的控制，就要初始化按键的GPIO、编写按键扫描函数、编写按键处理函数。因为需要检测与按键相连的引脚的电平，所以GPIO要配置为浮空输入模式，因为发明使用的是ST的标准库，所以GPIO初始化结构体GPIO_InitTypeDef的GPIO_Mode变量要赋值为GPIO_Mode_IN_FLOATING。完成按键GPIO的初始化后，就可以编写按键扫描函数了。本发明使用ST库中的GPIO_ReadInputDataBit函数检测按键GPIO电平状态，使用while语句等待按键释放，若检测到电平为高，则返回1，若检测到电平为低，则返回0。当检测到按键按下后，就要对波形类型和幅度进行设置、清屏液晶屏、计算坐标数据、绘制波形、装填DAC输出数据、开启DMA。

系统整体测试

为了测试本文所设计的雷电波形仿真器的实际功能，在实验室的环境下，使用示波器观察了雷电波形仿真器输出不同信号时的不同幅度输出信号波形。将仿真器的PA5引脚与示波器的探测头相连接，GND与示波器的地线相连接，然后将仿真器上电。

首先利用示波器对系统输出幅度范围进行测试。幅度范围是指仿真器所能输出波形幅值的上限和下限。仿真器设置输出8/20μs信号进行幅度范围测试，经测试得到了以下结果。当仿真器显示20kA的8/20μs波形时，如图9所示，示波器捕获到了对应的电压波形。

按下按键K1设置波形幅度，当仿真器显示45kA的8/20μs波形时，如图10所示，示波器捕获到了对应的电压波形。

按下按键K1设置波形幅度，当仿真器显示50kA的8/20μs波形时，如图11所示，示波器捕获到了对应的电压波形。

按下按键K1设置波形幅度，当仿真器显示90kA的8/20μs波形时，如图12所示，示波器捕获到了对应的电压波形，由此可以得知，仿真器能输出20kA到90kA电流波对应的电压波形。

按下按键K2将波形种类设置为10/350，当仿真器显示10/350μs波形时，示波器捕获到了对应的电压波形，如图13所示。由此可以得知，仿真器能输出8/20μs波形和10/350μs波形对应的电压波形，达到了预期的测试效果。

Claims

1.一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法，数字式雷电波形仿真装置，包括：

MCU模块：整体逻辑控制单元；

液晶屏：用于显示模拟的雷电波形；

按键模块：用于设置雷电流波形的幅度、波形；

电源电路：提供3.3V及5V工作电压；

排针：连接MCU模块的DAC，进行波形的输出；

DMA：DMA可以在不占用CPU的情况下进行数据从存储器到外设的搬运，DAC的作用是把数字编码转换成对应的模拟电压输出，用于模拟雷电波形的输出；

其特征在于，获取雷电流波形数据，根据使用者输入处理波形数据，在液晶屏上画出波形，DAC输出电压波；

根据使用者输入处理波形数据包括以下步骤：

按键1控制波形类型，8/20μs波形或10/350μs波形；

2.根据权利要求1所述的一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：获取雷电流波形数据包括以下步骤：

其中双指数函数关系为：

，其中/>

。

3.根据权利要求1所述的一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：在液晶屏上画出波形包括以下步骤：

temparray[idx] =y - k * amplitude * initial_fun_data1[idx]

4.根据权利要求1所述的一种数字式雷电波形仿真装置的数字式雷电波形仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：DAC输出电压波包括以下步骤：

DAC的默认设置为双通道右对齐，所以有DualFun12bit[Idx] = (amplitude *Fun12bit1[Idx] << 16) + (amplitude * Fun12bit1[Idx])，其中DualFun12bit为输入DAC寄存器的数据的数组，Fun12bit1为8/20μs的波形数据或者10/350μs波形数据，Idx为数组的标号，amplitude为放大倍数。