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

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計方案和組成部分。信號源硬件的主要器件為IGBT驅動(dòng)模塊VLA517和數碼管液晶顯示模塊，設計并實(shí)現了信號源的電路功能。接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹了所選用的單片機C8051F310的主要特性，并對于軟件設計中使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。本文的最后一部分內容是軟件部分的設計，包括定時(shí)程序和數碼管顯示程序兩部分。實(shí)驗中驗證了信號源軟硬件設計方案的可行性和正確性。

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，10 kV電力電纜的應用越來(lái)越廣泛，用電纜供電有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于系統擴容等因素的沖擊，運行時(shí)間越久，故障越來(lái)越頻繁，為了提高供電可靠性就必須以短時(shí)間修復這些電纜故障，但是電纜是埋在地下的不便于直接觀(guān)察發(fā)現故障點(diǎn)。而如何查找故障點(diǎn)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(diǎn)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計與實(shí)現。

1 脈沖信號源系統組成

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的。系統主要由主回路、控制回路、顯示器三部分組成。系統總體設計圖如圖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(kāi)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(zhuān)用驅動(dòng)模塊進(jìn)行驅動(dòng)，當控制回路輸出脈沖信號加到IGBT時(shí)，使IGBT導通，脈沖變壓器的原邊有一個(gè)脈沖電流流過(guò)，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(gè)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，如圖2所示。圖中，顯示部分采用數碼管，驅動(dòng)芯片用2003，該芯片驅動(dòng)能力可達20個(gè)TTL芯片，電源用三端穩壓塊AS1117提供，輸入5 V，輸出3.2 V。

5個(gè)按鍵K1、K2、K3、K4、K3用來(lái)控制信號源正常工作，并用五位數碼管實(shí)時(shí)顯示，其功能如下：

復位鍵K5：是單片機復位，數碼管顯示全零，表示復位成功。

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

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

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

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

P1.0用來(lái)觸發(fā)脈沖源的IGBT，用以產(chǎn)生高壓脈沖。

3 軟件設計

3.1 編程語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)工具

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

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(gè)端口P0～P3通過(guò)交叉網(wǎng)絡(luò )輸出，接上拉電阻時(shí)可以承受5 V的耐壓，即輸出電壓為5 V，此時(shí)為漏極開(kāi)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(diǎn)是其內部帶有振蕩器，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，就表示內部時(shí)鐘且不分頻。

3.2 整體程序流程圖

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

3.3 脈沖發(fā)送軟件設計

單片機內部有4個(gè)16位計數器/定時(shí)器，這些定時(shí)器可以用于測量時(shí)間間隔，對外部事件計數或產(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。

本文選用單片機內的定時(shí)器T0、T1、T2，T3方式1。方式1的計數器/定時(shí)器使用全部16位，選擇系統時(shí)鐘，作為定時(shí)器0的時(shí)鐘源。用T0定時(shí)1ms掃描數碼管顯示;T2定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為脈沖間隔時(shí)間，T2計時(shí)期間IGBT是關(guān)斷的;當T2計時(shí)結束后開(kāi)始T3計時(shí)，計時(shí)長(cháng)度為脈沖的寬度，T3計時(shí)期間IGBT打開(kāi);當T3計時(shí)結束T1開(kāi)始計時(shí)，計時(shí)長(cháng)度為脈沖周期減去脈沖寬度，T1計時(shí)期間IGBT關(guān)閉，T1的中斷次數為100的時(shí)候關(guān)閉IGBT，打開(kāi)T2定時(shí)器開(kāi)始再次休息-發(fā)射脈沖的循環(huán)。

T0定時(shí)程序的主要代碼：

單片機中交叉開(kāi)關(guān)的配置，C8051F310有29個(gè)I/O引腳(3個(gè)8位口和一個(gè)5位口)，每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數字I/O。被選擇作為數字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。數字交叉開(kāi)關(guān)允許將內部數字系統資源映射到端口I/O引腳。在脈沖信號源的設計中，使用到單片機的4個(gè)I/O端口，分別是P1.0，主要是輸出脈沖信號，還有下面小節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(gè)接口。

交叉開(kāi)關(guān)根據優(yōu)先權譯碼表為所選擇的內部數字資源分配I/O引腳，寄存器XBRO和XBR1用于選擇內部數字功能寄存器XBRO和XBR1必須被裝入正確的值以選擇設計所需要的數字I/O功能。置‘1’XBR1中的XBARE位將使能交叉開(kāi)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(kāi)路或推挽)。I/O引腳的輸出驅動(dòng)器特性由端口輸出方式寄存器PnMDOUT中的對應位決定，每個(gè)端口輸出驅動(dòng)器都可被配置為漏極開(kāi)路或推挽方式。本設計中將端口P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5所對應的端口1輸出方式寄存器P1MDOUT中的相應位置1，設置為推挽方式。

具體配置如下：

3.4 數碼管顯示軟件設計

本設計顯示部分采用的是共陰極8位數碼管，并用2003驅動(dòng)，由于數碼管是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是顯示小數點(diǎn)的位，本設計中并未用到。由于驅動(dòng)2003是由8個(gè)非門(mén)構成，所以要想點(diǎn)亮我們的共陰極數碼管那么相應的P0.X應設為0，數字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，第一段數碼管選中用P1 |=0x02;P1 =0xC3;第二段數碼管選中用P1 |=0x04;P1 =0xC5;第三段數碼管選中用P1 |=0x08;P1 =0xC9;第四段數碼管選中用P1 |=0x10;P1 =0xD1;第五段數碼管選中用P1 |=0x20;P1 =0xE1;

如圖7所示在開(kāi)機初始化后我們設置不同的標志位用來(lái)顯示不同的內容：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(shí)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

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

本文實(shí)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)變壓器變壓達到10 kV的脈沖被直接送到線(xiàn)路，啟動(dòng)運行按鍵向線(xiàn)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(shí)驗中觀(guān)察信號，示波器測量到的波形如圖9所示。

5 結論

本高壓脈沖信號發(fā)生器不但可以實(shí)現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(shí)間是可以設置的，可以根據我們的需要進(jìn)行設置。本設計用的變壓器最大匝數比是1：40，而且有4個(gè)檔可以調節即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到10 kV?？梢愿鶕?shí)際的個(gè)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。本設計成本低、使用方便而且有較高的可行性。