电力设备红外温度在线监测装置的设计.pdf

《 自动化与仪器仪表》2 0 l 2年第 5期 ( 总第 1 6 3期 ) 电力设备红外温度在线监测装置的设计 谢建容 ， 陈庆祺 ， 邝红樱 ， 段守胜 ， 王磊 ， 黄岷江 ( 1 东莞供电局试验研究所 东莞， 5 2 3 1 2 0 ) ( z 国网电力科学研究院武汉 南瑞有限责任公 司 武汉 ， 4 3 0 O 7 4 ) 摘 要：目前随着变 电设备在线监测技术的推广， 红外温度在线监测 必将 广泛应用于 电力设备状态检修。 本 文提出基于F P G A ／ S 0 P C的电力设备红外温度在线监测装置的设计， 内置NI O S软核， 实现红外机芯组件驱动 、 采集 控制 数据处理传输均在F P G A中进行 ， 减少 了装置的复杂度 ， 提高 了稳 定性 ， 实现红外温度数据实时采集 ， 易于 及 时发现存在过热性缺 陷的设备， 提高 了电力设备的可维护性 。 关键词： F P G A ；红外；图像； 采集 Ab s t r a c t ： At p r e s e n t , wi t ht h e r n o mo t i o no f s u bs t a t i o ne q u i p me n t o n - l i n emo n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s ， t h eo n - l i n ei n f l a r e dt e mper a t u r e mo nit o r i n gwi l l b ewi d e l yu s e di nthe e q u i p me n t c o n d i t i o n ． b a s e dma i n t e n a n c e． Th i s p a p e r p r e s e n t sthede s i g no fa no n ． 1 i n ei n f r a r e d temper a t u r emo nit o r i n gdev i c eb a s e dO n F 1 S OP C andNI OS ． I n f r a r e d d r i v e n c o mp o n e n t , d a t aa c q u i s i ti o n ．c o n t r o l co mpo n e n L da ta p r o c e s s i n gandtr a n s mi s s i o nco mpo n e n t a ll B i nin theF P GA， S Oi t C an r e d u ce thecomp l e x i t yo f thede v i ce t oi mp r o v ethe s t a b i l i t y． Th e d e v i c e C an g e t t h e r e a l - t i mei n f r a r e dtemp e r a t u r edata， d e t e c tthe o v e r h e a t i n g d e f e c t s o fp o we r e q u i p me n t sin ti me ， andi mp r o v et h e e f fic i e n c y o f the eq uip me n t ma i n t e n a n ce ． Ke ywo r d s ： F P GA： h l m ： I ma g e： Ac q u i s i ti o n 中图分类号：T P 9 1 1 ． 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 O 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 - 0 0 5 5 - 0 3 0 引 言 目前，红外温度检测作为变 电站常规 的设备带电检测 手段之一 已经广泛地应用于电力设备状态检修工作 中。 现 在 比较常用 的是采用手 持式热像仪定期对 电力设备进行 人工巡检 ， 此 为间断性检测 ， 周期长 ， 不能对温度故障 实 时监控， 特别对突发性故障不能有效检测 。 本文提 出基 于F P G A ／ S 0 P C的电力设备红外温度在线监测装置的设计， 内置N i 0 S软核， 实现红外机芯组件驱动、 采集控制、 数据 处理传输均在F P G A中进行 ， 减少 了装置的复杂度， 提高了 稳定性。 装置采用基于 T C P ／ I P 协议的网络数据通信， 实现 电力设备红外温度数据实时采集 ， 易于及时发现存在过热 性缺 陷的设备， 提高 了电力 设备 的可维护性 。 1 系统总体设计 图1 系统总体设计框图 收稿 日期： 2 0 1 2 —0 5 — 1 9 如图 1所示 ， 装置 以FP GA作为核心处理器，内部嵌入 Ni 0 S I I 嵌入式处理器， 通过R S 4 8 5串行通讯可以设置装置 M A C 、 I P 地址、 非均匀性图像校正参数等， 并将参数值存储 串行f l a s h 中， 从而可以在串行f 1 a s h 中读取装置配置参数 信息和用于图像校正的参数进行系统初始化， 然后控制红 外探测器机 芯组件进行采集红外温度数据， 并将其存储到 S D R A M中， 并且控制网络芯片进行红外温 度数据传输 。 2 系统硬件设计 2 ． 1 主控 F P G A 电路 设计 本装置选用C y c 1 o n e I I 系列的E P 2 C 8 Q 2 0 8作为主控 F P G A芯片。 它具有8 2 5 6 个L E( 逻辑单元) 、 3 6个M 4 K R A M b l o c k s ， 同时具有 1 6 5 ， 8 8 8 b i t 的R A M ， 支持 1 8 个E m b e d d e d m u l t i p e r s 和2 个P L L 锁相环， 资源配备十分丰富 。 图2 E P 2 C 8 Q 2 0 8 功能模块图 如 图2 所示， F P G A 的工作时钟采用 5 0 M H z 有源晶振， 接 至芯片的全局时钟引脚 。 在芯片内部， 通过P L L锁相环倍 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 电力设备红外温度在线监测装置的设计 谢建容， 等 频、 分频处理后使用， 产生对 S D R A M的地址和读写控制信 号及 S 0 P C系统时钟信号。 机芯组件驱动模块不断检测红 外机芯组件M C 主时钟、 V S y n c ( 帧同步信号) 及H S y n c ( 行同 步信号 ) ， 将机芯组件 1 6 b i t并行 图像红外温度 数据 ( [ D O ． ． ． n 1 5 ] ) 按地址顺序 自动存储到S D R A M 中， 当一帧图 像采集存储完毕时， 产生帧采集完毕中断信号给 S 0 P C ， 然 后S O P C 从S D R A M 中将一帧图像的像素数据取出处理， 最后 通过D M 9 O 0 0 A E网络芯片传输给站方P C 机 。 2 ． 2 机芯组件接 口设计 本装置选用北京广微积 电科技有限公司G W 3 8 4 A红外 机芯组件作为红外温度探测器 。 它采用 3 8 42 8 8 像素的 非制冷焦平面探测器， 光谱响应范围为 8 —1 4 Ia m ， 热灵敏度 ≤l O O m K ， 温度分辨率高达0 ． 0 8 ~ C， 图像帧频高达 5 0 帧／ 秒， 内置温度控制器 ( T E C) 。 其2 6 位针脚数字接 口定义如图3 所示 ， 包括M C 主时钟、 V S y n c ( 帧同步信号) 、 H S y n c ( 行同步 信号) 及 1 6 位并行图像红外温度数据 ( [ D O ． ． ． D 1 5 ] ) ， 实际 上只有前 1 4 位有效 。 G W 3 8 4 A 红外机芯组件采样驱动时序如 图4 ， M C 主时钟为7 ． 3 7 5 M H z ， 每帧图像周期为2 0 m s ， 行周期 为6 4 u S ， V S y n c( 帧同步信号) 在读取像素数据时需保持为 低， 在每个帧的结尾将变为高， 高状态持续约2 0 0 u S ， 保证 足够的时间来重置数据的下一个帧。 H S Y n c( 行同步信号) 在读取像素数据时先置低 4 ． 7 u S ， 同时等待6 ． 5 u S 后开始读 取每行 第一个数据值 。 CoN1 2 6 2 4 ： 3 2 ^ 2I 2 0 1 9 l 8 I 7 l 6 l 5 1 4 l 3 1 【 l 1 0 8 7 6 S 4 3 2 1 图3 数字接口定义图 图4 红外机芯组件采样驱动时序图 2 ． 3网络 通讯接 口设计 装置采用D M 9 0 0 0 A E接 口芯片进行网络通信 ( 图6) 。 D M 9 O O O A E 芯片是一款4 8 针脚 1 0 ／ 1 O O M 网络芯片， 支持T C P ／ I P硬件加速， 可 以有效的减轻 C P U的负担 ， 内置 1 6 K B的 S D R A M用于收发缓存 ， 支持唤醒帧 、 单工或双全工的工作 方式和 I E E E 8 0 2 ． 3 以太网传输协议等 。 在F P G A 建立片上 N 0 i S I I系统 ， 使用L w I P网络协议栈。 针对所使用的 D M 9 O O O A E 芯片， 设计相应的驱动程序， 对 D M 9 O O O A E 外部控 制 总线和数据总线进行读写操作， 设置内部网络控制寄存 器( N S R ) 、 中断寄存器 ( I S R ) 、 发送控制寄存器 ( T C R ) 等， 就 可以方便地使用L w I P 网络协议栈 。 L w I P 中提供 了一个名 为e t h e r n e t i f ． c 的文件， 该文件中的函数为开发D M 9 O O O A E 芯片驱动程序提供了模板， 针对 D M 9 O O O A E 网络芯片编写相 应的函数， 分别是u s e — l o g i c — d m 9 O O O a — i n i t 0用于初始化 56 全局 网络 结构体和 D M 9 0 0 0 A E 芯片相 关寄存 器； use — l og i c — d m9 O O O a —i n p u t 0用于在发生接收数据中断时， 从存储器数据预读命令寄存器 ( i R C i D X) 中读取数据； use —l o gi c_d m 9 O OO a—o u t p u t 0用于将图像红外温度数据经 过 T C P／I P协议封装并通过存储器数据写命令寄存器 ( M W C M D ) 写入发送缓冲区， 将其发j 羞 ； u s e 一 1 o g i c — d m 9 O O O a i r q 0为D M 9 O O O A E的中断服务程序。 图6 D M 9 O O O A E 接口电路图 3 系统软件设计 在A 1 t e r a公司的开发环境O u a r t u s I I 7 ． 2中实现对 F P G A器件的软件编写配置 。 N i O S I I处理器系统在S O P C B u i 1 d e r 环境生成， 并按照实际需求裁剪N i O S I I 处理器系 统功能。 如图7 所示， 系统上电或复位后， N i O S I I 会首先初 始化 内部的寄存器和外设 的状态参数 ， 然后从 串行F L A S H 中读取网络配置及 图像校正参数， 初始化D M 9 0 0 0 A E ， 开启 T C P ／ I P 服务⋯。 然后N i O S I I 系统将判断是否有 网络连接建 立 请求， 如有则建立连接 ， 如没有则继续等 待。 当建立连 接之后 ， 检测是否有一帧图像采集完毕中断信号， 如有则 从S D R A M中读取图像红外温度数据， 进行 图像校正的计算， 对 图像数据进行实时处理， 然后控$ ~ D M 9 O O O A E 将图像红外 温度数据传送给站方 P C， 如没有则等待 1 O m s后进行下一 轮判断 。 图7 通信程序流程图 ( 下转第5 9页 ) 谢 ～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 《 自动化与仪器仪表》2 0 l 2年第 5 期 ( 总第 l 6 3期) 口、中断系统 、定时器等外部设备进行初始化 ，随后进 入 工作循环。 依次周期性通过A D X L 2 0 2获取加速度测量信号， 并通 过计算将其转换为倾斜度信号，之后更新 L C D显示 ， 并将相关信息送 T T S模块 以语音方式播报 ， 最后读取用户 按键信息 ， 完成相关功 能操作 。 语音合成程序的框 图则如图 5所示 。 单片机首先判别 语音 合成模 块是 否处于 就绪状 态 ， 若是 ， 则依 次发送 帧 头 、 字节 总数、 语音合成命令码 、 语 音合成 格式控制码及 待合成文本 ， 语音模块将 随后依所设命令完成 T T S转换。 3 结 语 本系统将M E M S 加速度传感器、 智能T T S语音合成功能 有机 结合 ， 为倾斜度 测量及相 关应用提供 了一种 新的模 式 。 系统价格适 中、 结构 紧凑， 功 能强大， 有着 良好的实 用价值 。 文中对系统各个部分的硬件 电路和软件实现进行 了详述 ， 本系统的设计思想及技巧还可为其它相关产 品的 设计 制作提供借鉴 。 参 考文献 [ 1 ]陈 凯， 徐耀坤． A D X L 2 0 2 双轴加速度传感器使用经验 [ J ] ． 国外 电子元器件， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ： 6 7 — 6 8 ． [ 2 ] 王树珂， 蒋大明． 加速度传感器在列车完整性监测系统中的应 用[ J ] ． 铁路计算机应用， 2 0 0 7 ， 1 6 ( 1 2 ) ： 3 1 — 3 4 ． [ 3 ] 金仁成， 朱连柱， 于耀东等． 加速度传感器在汽车防盗系统中的 应用研究[ J ] ． 电子技术应用， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 9 卜9 3 ． [ 4 ]王恒升， 何清华， 肖 鹏． 斜度测量的等误差直线逼近的迭代算 法 [ J ] ． 传感器技术， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) ： 6 3 — 6 4 ． [ 5 ] 屈 翠香，李 纲．具有数字信 号输 出的双轴加速度传感器 A D X L 2 0 2 [ J ] ． 国外电子元器件， 1 9 9 9 ， ( 8 ) ： 8 - 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2 0 0 8 带电设备红外诊断应用规范 [ 3 ] 王 波， 吴新建． 基于N i o s I I 的红外图像灰度变换系统设计[ J ] ． 光学与光电技术， 2 0 0 7 ， 5 ( 2 ) ： 4 5 — 4 7 ， 5 1 ． [ 4 ]D A V I C O M D M 9 O O O A a p p l i c a t i o n n o t e s [ M ] ． D A V I C O M ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 郑巨明， 张和生， 贾利民， 梁玉庆． 基于 u C ／ O S — I I 和L w l P 的嵌入 式 以太网接口设计[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 9 ， 1 7 ( 1 1 ) ： 2 2 3 8 — 2 2 4 2 ． 『 6 ]Q u a r t u s I I v e r s i o n 7 ． 2 h a n d b o o k [ M ] ． A 1 t e r a ． 2 0 0 7 ． [ 7 ] 徐富元， 顾国华， 钱惟贤， 任建乐， 陈钱． 红外视频实时网络采 集系统的设计与实现 [ J ] ． 红外技术， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 7 9 — 1 8 3 ． 59 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m