一种基于SoPC技术的煤矿井下电缆故障定位片上系统*

江晋剑

(安庆师范学院 计算机与信息学院，安徽 安庆246311)

准确探测煤矿井下电缆故障类型并进行及时处理，对煤矿安全生产有着重要的现实意义。长期以来,国内外科技工作者为了寻求有效的供电电缆故障诊断方法做了大量的理论探索和实践尝试，文献[1]给出了不同类型的供电电缆故障的相应测定方法。

随着计算机技术在电力系统中的应用和发展，微机故障测距技术也有了巨大的发展并相继进入实用化进程。文献[2]～文献[4]中提到的行波法和故障分析法是常用的2种方法。输电线路行波双端故障测距由于不存在原理误差，不受线路参数和结构的影响，只要能够精确捕捉到行波的第一波头到达2个测量端的时间就可以实现精确故障测距。行波法测距的可靠性和精度在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响，这一直是研究的热点。

尽管行波法的原理简单，不受故障电阻和线路不对称等因素的影响，但仍存在一些无法解决的问题，即反射波识别问题和波速不确定性问题。因此，国内外学者不断改进方法，参考文献[5]～[8]中提出了几种利用小波处理的方法。与传统的行波测距方法相比，这些方法不受电缆分支接头反射波的干扰，不受故障类型的影响，在近区也不存在无法识别反射波的问题，并且，由于是利用频率相近的高频信号到达检测点的时间和波速来测距，这样就使波速不确定性对测距精度的影响大为减小。同时，在查阅大量的国内外参考文献的基础上发现，由于小波算法的运算量非常大，所以目前普遍采用的是用计算机作为故障测距系统实现小波算法，这样的系统显得比较笨重，使用起来不方便。

本文提出利用SoPC技术、小波算法的FPGA实现方法，并利用脉冲电源作用下故障相与健全相的电流差作为测量信号，运用小波变换对其作多尺度分解，对信号在高频下进行单支重构，进而构建基于SoPC的煤矿井下电缆故障测距片上系统。

1 电缆故障探测方法的提出

与传统的行波测距方法相比，电缆故障探测方法不受电缆分支接头反射波的干扰，不受故障类型的影响，在近区也不存在无法识别反射波的问题。而且，由于利用频率相近的高频信号到达检测点的时间和波速来测距，这样就使波速不确定性对测距精度的影响大为减少。

2 基于小波算法的电缆故障测距原理

基于小波算法的电缆故障原理图如图1所示，以电缆首端为信号测量端。因为普通电流互感器对暂态信号具有良好的传变性能，采用电流互感器检测故障相与健全相的电流差I1-I2信号。

图1 原理接线图

当电缆线路中无分支接头或其他阻抗不匹配时，I1在故障点F产生反射之前，与I2的波形完全一致，所以电流互感器无输出。当I1到达F点时，I2继续向前传播直到到达电缆末端产生反射，而I1在故障点发生反射。因此I2在末端的反射波总是较I1在故障点的反射波到达测量点迟，即I1在故障点的反射波到达测量端时，I2在末端的反射波还未到达测量端，此时电流互感器的输出为I1在故障点的反射波电流。

当电缆中存在分支接头或阻抗不匹配时(如图1虚线所示)，如果分支接头在故障点F之前，I1、I2均在接头处发生反射和折射，由于两者波形完全一致，所以电流互感器仍无输出，直到故障点反射波到达测量端为止。当分支接头在故障点之后，电流互感器仍然是在故障点反射波到达测量端后才有输出。也就是说，利用I1-I2信号，对分支接头或是其他阻抗不匹配点可以不予考虑。

当在近区发生故障时，I1的入射波和反射波将会发生重叠，但是，对于I1-I2信号却不存在信号重叠问题，这就克服了传统方法中存在无法识别的死区的缺点。

通过以上分析可知：排除干扰的因素，无论在什么情况下，I1-I2信号在时间轴上的第一个脉冲信号一定是在故障点的反射波。这样反射波的识别将变得十分方便。

在脉冲电流的传播过程中，由于不同频率成份的传播速度和衰减情况都不相同，行波波形将发生畸变。传统的方法只用1个波速来近似含多频率成份脉冲的速度，对行波到达时间也只能作近似处理，这将会影响定位精度。

本文采用的方法是利用小波算法对采集到的脉冲信号进行多尺度小波变换，然后对信号在高频下进行单支重构，经过重构的信号包括脉冲信号中的高频分量。利用重构的高频信号来确定反射波的到达时间和波速。由时间和波速就可以确定故障点的位置了。

3 系统硬件设计

3.1 系统结构

系统硬件分为数字部分和模拟部分。数字部分主要分为片上系统、存储芯片、键盘、LCD、A/D采集电路等。模拟部分包括脉冲发送电路和接收电路。设计中采用SoPC技术将NOIS II系统与小波算法处理电路、小波控制逻辑、存储器接口、Button PIO、LCD PIO、采样控制等集成在FPGA中，构成片上控制系统并与外部存储芯片、键盘、LCD、A/D转换电路相连，从而控制整个系统。通过在NIOS II中移植嵌入式实时多任务操作系统μC/OS II，将脉冲信号的发生、控制采样、小波算法控制、键盘、LCD显示等模块任务化，并移植到μC/OS II平台上，通过操作系统的调度程序完成各任务之间的切换与运行，完成系统的各项功能。图2为系统硬件结构图。

图2 系统硬件结构图

3.2 Nios II软核处理器

本方案采用Nios II作为主控制器，此处理器是Altera公司新近推出的第二代嵌入式Nios II软核处理器。Nios II处理器系列是一个用户可配置的通用 32 bit RISC嵌入式软核处理器系列。它包括3种软核CPU：(1)高性能软核。它的处理能力超过200 MIPS，需要占用1 800个逻辑单元；(2)精简软核。利用这种精简软核构架一个完整的CPU系统只需要占用700个逻辑单元；(3)标准软核。这种软核约占用1 400个逻辑单元，性能介于上2种软核之间。所有软核都是100%代码兼容，设计者可根据系统需要选择CPU来调整嵌入式系统的性能及成本。

CycloneII系列的2C35芯片具有35 000个逻辑单元，逻辑资源十分丰富。由于本系统对CPU的性能要求较高，因此选用了高性能的NiosII软核作为系统CPU。

4 基于提升小波的FPGA硬件实现

4.1 提升小波原理

提升算法给出了双正交小波简单而有效的构造方法，使用了基本的多项式插补来获取信号的高频分量，之后通过构建尺度函数获取信号的低频分量。“提升”算法的基本思想是将现有的小波滤波器分解成基本的构造模块，分步骤完成小波变换。一个规范的提升算法有3个步骤：分解 Split；预测 Predict；更新 Update。提升算法的分解和重构步骤如图3所示。

图3 提升算法的分解与重构

由图3知，提升算法可以实现原位运算，即该算法不需要除前级提升步骤输出之外的数据，这样在每个点都可以用新的数据流替换旧的数据流。当重复使用原位提升滤波器组时，就获得了交织的小波变换系数。由于小波变换需要较大的计算量，且计算复杂度高，靠软件实现无法满足实用需要，因此用硬件实现的方法日益受到重视。其中，基于FPGA的小波变换方法一直是研究的热点。

4.2 FPGA实现

小波提升算法主要是加、减运算，而除法运算是除以2和除以 4，在硬件中可以通过“右移”操作实现快速运算，因此采用FPGA实现提升小波算法是可行的。Altera公司软件QuartusII支持VHDLVerilog以及原理图等设计方法。底层采用VHDL设计，顶层采用原理图的设计方法。

图4给出了每次测试信号的处理流程。为了进一步提高运算速度，还可以将连续信号的处理形成流水线。如对前一次测试信号进行小波重构时，对当前信号进行小波分解。在每个处理过程中，根据算法的特点和硬件结构特点进行合理的优化配置，从而有效实现算法。

图4 信号去噪流程图

5 软件设计

5.1 NIOS II软件结构

NIOS II提供分层的软件开发模式。NIOS II程序共分6层，从上到下依次为：NIOS II系统硬件(NIOS II Processor System Hardware)， 驱 动 程 序 层 （Software Device Drivers），硬件抽象层应用程序接口（HAL API），实时操作系统（MicroC/OS II），系统初始化（Application-Specific System Initialization），应用程序层（Application）。

分层进行软件开发使NIOS II应用程序和系统硬件分离开。在进行软件开发时，不用了解和担心硬件的匹配问题，同时也使软件的通用性大大加强。

5.2 软件设计

根据系统的特点，设计必须满足实时性和并发性的要求，以便更好地支持运行时的多任务环境的调度，所以各任务软件应该基于嵌入式实时操作系统。目前比较流行的嵌入式操作系统主要有 VxWorks、WindowsCE、μCLinux、μC/OS-II等。考虑到 μC/OS-II的规模较小、实时性和可靠性较高的特性以及Nios II IDE开发环境对μC/OS-II的良好支持，故操作系统选择μC/OS-II。它是一种可移植、可固化、可裁剪、占先式的多任务实时操作系统内核，通过为每个任务分配单独的任务堆栈来保存任务工作环境。可提供任务管理与调度、任务间的同步、互斥与通信、时间和中断管理、内存的动态分配等多种系统服务。在程序设计时，将各模块作为一个任务在其中运行。

系统软件设计主要包括嵌入式操作系统的移植和应用级任务代码编写等部分。软件结构框图如图5所示。μC/OS-II主要完成任务的管理与调度，初始化后，创建各模块任务完成各模块功能，调用系统函数，通过创建消息邮箱和信号量实现任务与任务之间、任务与中断服务程序之间的同步与互斥，以保证系统协调运行。

图5 软件结构框图

本系统以NIOS II为核心，由FPGA完成逻辑控制电路和小波算法电路，具有体积小、成本低、灵敏度高、扩展方便、易于操作等优点。同时本文提出的利用SoPC技术及小波算法的FPGA实现方法构建基于SoPC的煤矿井下电缆故障测距片上系统，在电缆故障定位理论、新型传感器、现代电子技术及计算机网络的结合等方面尚有许多问题需要研究解决，这也将会推动对这一领域的纵深研究。

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[4]李金生.电力电缆故障点的快速探测[J].电工技术，1994(2).

[5]李建平，唐远炎.小波分析方法的应用[M].重庆：重庆大学出版社，1999.

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[7]董新洲，贺家李，葛耀中.小波变换在行波故障检测中的应用[J].继电器，1998，26(5).

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