基于檢測10 kV電纜故障的高壓脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：首先介紹了檢測電纜故障的方法及原理并介紹高壓脈沖信號源的總體設(shè)計方案和組成部分。信號源硬件的主要器件為IGBT驅(qū)動模塊VLA517和數(shù)碼管液晶顯示模塊，設(shè)計并實現(xiàn)了信號源的電路功能。接下來簡要介紹了所選用的單片機C8051F310的主要特性，并對于軟件設(shè)計中使用的開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境進行了簡要說明。本文的最后一部分內(nèi)容是軟件部分的設(shè)計，包括定時程序和數(shù)碼管顯示程序兩部分。實驗中驗證了信號源軟硬件設(shè)計方案的可行性和正確性。

隨著社會的發(fā)展，10 kV電力電纜的應(yīng)用越來越廣泛，用電纜供電有很多優(yōu)點，但是由于系統(tǒng)擴容等因素的沖擊，運行時間越久，故障越來越頻繁，為了提高供電可靠性就必須以短時間修復(fù)這些電纜故障，但是電纜是埋在地下的不便于直接觀察發(fā)現(xiàn)故障點。而如何查找故障點成為我們不斷深入研究的課題。目前經(jīng)常用的測距法是脈沖反射法、但是這種方法誤差比較大，配合此測距方法經(jīng)常使用的精確定點法是聲測法和聲磁同步法，然而在脈沖反射法和聲測法中關(guān)鍵是高壓脈沖信號源的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 脈沖信號源系統(tǒng)組成

高壓脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生并發(fā)送幅值為10 kV的周期脈沖信號，脈沖的寬度及周期都是可調(diào)的。系統(tǒng)主要由主回路、控制回路、顯示器三部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。

主回路部分，首先將220 V交流電源經(jīng)整流、濾波后變?yōu)橹绷?，電壓?70 V左右，開關(guān)管采用絕緣柵雙極型晶體管(Isolated Gate Bipo lar Transistor，IGBT)，并選用了VLA517作為IGBT專用驅(qū)動模塊進行驅(qū)動，當(dāng)控制回路輸出脈沖信號加到IGBT時，使IGBT導(dǎo)通，脈沖變壓器的原邊有一個脈沖電流流過，脈沖變壓器的變比為1：40，隨即在脈沖變壓器的副邊產(chǎn)生一個高壓脈沖，顯示器部分將脈沖信號的周期、脈寬和脈沖發(fā)送間隔顯示在數(shù)碼管上。

2 信號源控制電路

信號源的控制回路即是單片機的硬件系統(tǒng)，如圖2所示。圖中，顯示部分采用數(shù)碼管，驅(qū)動芯片用2003，該芯片驅(qū)動能力可達(dá)20個TTL芯片，電源用三端穩(wěn)壓塊AS1117提供，輸入5 V，輸出3.2 V。

5個按鍵K1、K2、K3、K4、K3用來控制信號源正常工作，并用五位數(shù)碼管實時顯示，其功能如下：

復(fù)位鍵K5：是單片機復(fù)位，數(shù)碼管顯示全零，表示復(fù)位成功。

啟動/停止鍵K4：實現(xiàn)脈沖的發(fā)射與停止功能，如果我們按下K4的時間不到3 s那么發(fā)送脈沖，數(shù)碼管顯示“RUN”;如果按鍵時間大于3 s則停止發(fā)送脈沖，數(shù)碼管顯示“STOP”。

設(shè)置按鍵K3：用來控制脈寬還是脈沖周期的設(shè)置，如果按鍵時間小于3 s那么進行脈寬的設(shè)置，數(shù)碼管顯示脈寬初值“1”單位是μs;如果在3～10 s之間則進入脈沖周期的設(shè)置，數(shù)碼管顯示初值“1000”單位是μs;大于10秒則進入發(fā)脈沖間隔時間設(shè)置，數(shù)碼管顯示初值“60 00”單位是μs。

減少按鍵K2：用于設(shè)置減少相應(yīng)的數(shù)值(脈寬、周期、間隔)，從數(shù)碼管顯示的數(shù)值變化可以看出其數(shù)值減小。

增加/間隔按鍵K1：用于設(shè)置增加相應(yīng)的數(shù)值(脈寬、周期、間隔)，從數(shù)碼管顯示的數(shù)值變化可以看出其數(shù)值增加。

P1.0用來觸發(fā)脈沖源的IGBT，用以產(chǎn)生高壓脈沖。

3 軟件設(shè)計

3.1 編程語言及開發(fā)工具

單片機的編程語言可以是匯編語言，也可以是高級語言(C語言)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。本文采用的編程語言為C語言和Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)，它是美國KeilSoflware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。

C8051控制回路采用單片機C8051F310，該單片機運行可靠，體積小，功能強大，與8051單片機兼容，其管腳排列如圖3所示。

如圖4所示該單片機采用32腳封裝的芯片，4個端口P0～P3通過交叉網(wǎng)絡(luò)輸出，接上拉電阻時可以承受5 V的耐壓，即輸出電壓為5 V，此時為漏極開路輸出。如果不接上拉電阻，則為推挽輸出，輸出電壓為3.2 V，由PxMDOUT決定。C8051F310最大的優(yōu)點是其內(nèi)部帶有振蕩器，不必外接晶體，而且可編程分頻，最大頻率為24.5 MHz。只要讓OSCICN=OSCICN10x03，就表示內(nèi)部時鐘且不分頻。

3.2 整體程序流程圖

如圖5所示在開機初始化后，定時計數(shù)器T0周期掃描數(shù)碼管對其進行逐位顯示即動態(tài)顯示，由于人的視覺暫留時間為0.1～0.4 s，而我們的每位間隔掃描時間為l ms所以我們看到五位數(shù)碼管顯示的數(shù)字是不變的;然后我們對鍵盤掃描，K4控制啟動或停止發(fā)送脈沖，K3選擇設(shè)置脈寬、周期、發(fā)送脈沖間隔，K2塒K3選取的設(shè)置項將其數(shù)值減少，K1對K3選取的設(shè)置項將其數(shù)值增加。

3.3 脈沖發(fā)送軟件設(shè)計

單片機內(nèi)部有4個16位計數(shù)器/定時器，這些定時器可以用于測量時間間隔，對外部事件計數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請求。發(fā)送脈沖程序流程圖如圖6所示。

本文選用單片機內(nèi)的定時器T0、T1、T2，T3方式1。方式1的計數(shù)器/定時器使用全部16位，選擇系統(tǒng)時鐘，作為定時器0的時鐘源。用T0定時1ms掃描數(shù)碼管顯示;T2定時器的定時時間為脈沖間隔時間，T2計時期間IGBT是關(guān)斷的;當(dāng)T2計時結(jié)束后開始T3計時，計時長度為脈沖的寬度，T3計時期間IGBT打開;當(dāng)T3計時結(jié)束T1開始計時，計時長度為脈沖周期減去脈沖寬度，T1計時期間IGBT關(guān)閉，T1的中斷次數(shù)為100的時候關(guān)閉IGBT，打開T2定時器開始再次休息-發(fā)射脈沖的循環(huán)。

T0定時程序的主要代碼：

單片機中交叉開關(guān)的配置，C8051F310有29個I/O引腳(3個8位口和一個5位口)，每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O。被選擇作為數(shù)字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳。在脈沖信號源的設(shè)計中，使用到單片機的4個I/O端口，分別是P1.0，主要是輸出脈沖信號，還有下面小節(jié)用到的與液晶顯示模塊的連接所用到的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、PI_5 5個接口。

交叉開關(guān)根據(jù)優(yōu)先權(quán)譯碼表為所選擇的內(nèi)部數(shù)字資源分配I/O引腳，寄存器XBRO和XBR1用于選擇內(nèi)部數(shù)字功能寄存器XBRO和XBR1必須被裝入正確的值以選擇設(shè)計所需要的數(shù)字I/O功能。置‘1’XBR1中的XBARE位將使能交叉開關(guān)。

用端口輸出方式寄存器(PnMDOUT)選擇所有端口引腳的輸出方式(漏極開路或推挽)。I/O引腳的輸出驅(qū)動器特性由端口輸出方式寄存器PnMDOUT中的對應(yīng)位決定，每個端口輸出驅(qū)動器都可被配置為漏極開路或推挽方式。本設(shè)計中將端口P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5所對應(yīng)的端口1輸出方式寄存器P1MDOUT中的相應(yīng)位置1，設(shè)置為推挽方式。

具體配置如下：

3.4 數(shù)碼管顯示軟件設(shè)計

本設(shè)計顯示部分采用的是共陰極8位數(shù)碼管，并用2003驅(qū)動，由于數(shù)碼管是8位即a(P0.0)、b(P0.1)、c(P0.2)、d(P0.3)、e(P0.4)、f(P0.5)、g(P0.6)、dp，dp是顯示小數(shù)點的位，本設(shè)計中并未用到。由于驅(qū)動2003是由8個非門構(gòu)成，所以要想點亮我們的共陰極數(shù)碼管那么相應(yīng)的P0.X應(yīng)設(shè)為0，數(shù)字0-9的ASCII碼為0x40，0x79，0x24，0x30，0x19，0x12，0x02，0x78，0x00，0x10。例如我們想顯示數(shù)字0那么P0=0x40。

而我們的段選是由P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5控制的，第一段數(shù)碼管選中用P1 |=0x02;P1 =0xC3;第二段數(shù)碼管選中用P1 |=0x04;P1 =0xC5;第三段數(shù)碼管選中用P1 |=0x08;P1 =0xC9;第四段數(shù)碼管選中用P1 |=0x10;P1 =0xD1;第五段數(shù)碼管選中用P1 |=0x20;P1 =0xE1;

如圖7所示在開機初始化后我們設(shè)置不同的標(biāo)志位用來顯示不同的內(nèi)容：flage為1表示要顯示脈沖寬度，flage為2表示顯示脈沖的周期，flage為3表示顯示發(fā)送脈沖的時間間隔，flage為4表示發(fā)送脈沖，flage為5表示停止發(fā)送脈沖。

4 發(fā)送脈沖波形圖

我們設(shè)置的脈沖的寬度為4μs，脈沖周期是1 ms，脈沖的間隔時間是6 s時候的發(fā)射脈沖波形圖如圖8所示。

本文實驗所用電纜型號ZRYJLV22額定電壓8.7/15 kV，變壓器為1：40的高頻變壓器，脈沖信號經(jīng)變壓器變壓達(dá)到10 kV的脈沖被直接送到線路，啟動運行按鍵向線路注入脈沖，形成入射信號。由圖1可知入射信號經(jīng)電阻R4(1k)分壓被送到示波器，便于實驗中觀察信號，示波器測量到的波形如圖9所示。

5 結(jié)論

本高壓脈沖信號發(fā)生器不但可以實現(xiàn)基本的脈沖信號的發(fā)送與停止功能，而且脈沖寬度、周期和脈沖間隔時間是可以設(shè)置的，可以根據(jù)我們的需要進行設(shè)置。本設(shè)計用的變壓器最大匝數(shù)比是1：40，而且有4個檔可以調(diào)節(jié)即1：10、1：20、1：30、1：40，輸入為220 V因此輸出的高壓脈沖電壓最大可以達(dá)到10 kV。可以根據(jù)實際的個人需要變換使用其他的變壓器，把電壓升到你需要的高壓值。本設(shè)計成本低、使用方便而且有較高的可行性。