基于DSP的照明线路探测仪设计

张明洋

(黎明职业大学信息与电子工程学院，福建泉州362000)

0 引言

基于美观和安全方面的考虑，建筑物内的照明线路一般都布置在墙壁内。建筑物的二次装修或者热水器等电器设备安装经常需要对墙壁进行打孔，由于普通建筑物在初次装修时并没有留下具体的照明电缆布线图，这就存在照明电缆被破坏的可能性，如果当时照明电缆是处于通电状态，那么情况将相当危险。这时如果拥有一套照明线路探测仪，将可以快速而准确地定位出照明电缆的布线位置，那么上述的危险性将不复存在。当前市场上的大部分照明线路探测仪是以单片机为控制核心，由于单片机芯片的实时信号处理能力不强，造成探测仪使用时检测速度慢且精度有限。本设计以具有强大实时信号处理能力的DSP芯片dsPIC33FJ128GP802为控制核心，利用非接触式电流检测技术［1］对墙壁内的照明电缆分布进行快速而准确的定位，具有一定的推广价值。

1 系统原理框图

如图1所示，电流检测模块通过电磁感应原理将待测照明电缆中的电流信号转化成为电压信号，该电压信号经过信号处理模块达到滤波和放大效果后进入实时处理能力强大的dsPIC33FJ128GP802芯片进行处理。此时电缆检测模块将对通电电缆的位置坐标进行循迹定位，坐标定位结果将通过dsPIC33FJ128GP802芯片处理后显示在LCD上，同时通过声光提示电路进行报警提示。

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片介绍

本照明线路探测仪的主控模块控制芯片采用的是美国微芯科技公司的16位数字信号处理器芯片dsPIC33FJ128GP802。dsPIC33FJ128GP802具有强大的实时信号处理能力，每秒可处理多达4千万条指令;其数据宽度为16位，指令宽度为24位;具有3个外部中断源，闪存为128KB;内部自带具有两种工作模式的10通道ADC，采样位数为10和12位，转换速率分别为1.1Msps和500ksps;同时自带4路16位DAC，最大采样速率为100ksps，完全满足本照明线路探测仪的信号处理需要。

2.2 电流检测电路

由于照明电缆布置在墙壁内，无法直接测量定位，只能采取非接触式的检测方法。针对这种情况，本设计采用手工制作的空心检测线圈来检测照明电缆电流，这种方法具有感应灵敏和制作简单等优点，且铁心部位不会发生饱和以及磁滞现象。

如图2所示，Io为电缆电流，e为检测线圈的感应电动势。可设电缆长度l，通电电流I=A sin(ωt)，检测线圈的中心位置处于电缆中点的垂直线上面，令检测线圈中心与电缆中心的实际距离为r，依据电磁感应原理，此时检测线圈中心点感应到电缆电流所获得的磁场大小如下:

图2 电流检测电路

式(1)中真空磁导率μ0=4π×10-7，θ1=θ和θ2=π-θ分别为检测线圈中心和待测电缆两端连线与电流方向的夹角。此时检测线圈两端的感应电压值e将与线圈磁通的变化率成正比［2］，即，则可得到:

式(2)中真空磁导率μ0=4π×10-7，N为检测线圈的具体匝数，ω为电缆电流的角度频率;φ为检测线圈的磁通量，r为检测线圈中心点与通电电缆的垂直方向距离，B为检测线圈中心点的磁感应强度，S为检测线圈垂直于磁力线方向的截面积，A则为电缆通电电流大小。由公式(2)我们可以知道，在电缆通电电路频率恒定及线圈与电缆位置保持不变的情况之下，e与Io大小成正比的关系，与r大小成反比的关系［3］。由于检测线圈由线圈部分和骨架部分构成，为了限制电磁阻尼的非线性影响，骨架部分采用了塑料成分;而线圈部分虽然匝数N越大越有利于灵敏度的提高，但也会造成分布电容的增大，同时会造成检测线圈使用不便，综合各方面因素，实际制作的线圈匝数为250匝，漆包线的直径选择0.211毫米，检测线圈的外径为15.16毫米，内径为7.95毫米。

2.3 信号处理电路

信号处理电路可分为滤波电路部分和放大电路部分，具体可如图3所示。

2.3.1 滤波电路

为了测试的便利性，我们后面将以家庭中常用的白炽灯和节能灯进行模拟环境测试，其中白炽灯功率为60W，频率为50Hz，而节能灯功率为11W，频率为100Hz。由于有频率不同的两路信号，滤波电路将50Hz和100Hz两个频率点的信号滤波出来后送至后面的放大电路进行处理。

图3 信号处理电路

如图3上半部分60W电路采用的是二阶低通滤波结构，电路中可令R1和R2的阻值为R，C1和C2的电容值为C，根据相量法可以得到如下关系:

如图3下半部分11W电路采用的是二阶无源带通滤波结构，电路中可令R6和R29的阻值为R，C4和C5的电容值为C，根据相量法可以得到如下关系:

2.3.2 放大电路

由于信号经过滤波电路会受到一定的衰减影响，所以在信号进入主控芯片dsPIC33FJ128GP802之前必须进行一定的放大。如图3所示，放大电路采用了电流反馈式偏置结构，由三极管两级级联构成。电路中IE为三极管发射级电流，UE为三极管射级电阻电压，UBE为三极管基极和发射极之间的电势差，IC为三极管集电极电流，IB为三极管基极电流。可调整UBE，当温度上升时IC变大，UE会使得IB变小，从而IC增幅变小，达到了稳定三极管静态工作点的目的，电路的放大效果即可保持恒定，图3中放大倍数Au约为11000。

2.4 电缆检测电路

照明线路探测仪有对照明电缆进行位置坐标定位并可在LCD上显示定位结果的功能，后面模拟测试环境将以7行7列的直拼板材料模拟墙壁等掩体，由于直拼板正面布满大小相同的黑色格子，因此采用了如图4所示的检测电路。

在图4当中，D1为发光二极管，D2为光敏二极管，R3为可调电阻，运放C1构成比较器，且C1的正相输入电压为U+，反相输入电压为U—。由于光在D1与D2之间是靠直拼板的板面反射后进行传输的，当检测电路在移动过程中遇到直拼板白色板面时，因光敏二极管D2接收到地板表面反射过来的光线而阻值下降，造成C1的反相输入电压为U—变小;此时如果U—＜U+，那么C1的输出电压OUT1将变为高电平，反之C1的输出电压OUT1将变为低电平。因此通过读取运放C1的电压数值即可判断地板表面是否存在黑色迹线。通过改变R3的阻值可以调整C1的正相输入电压Up的基准值，进行调节检测电路的灵敏度。

图4 照明电缆检测电路

照明线路探测仪在实际使用当中会在前端位置以并排方式设置6路此类检测电路，dsPIC33FJ128GP802通过读取检测到的电压即可判断探测仪与黑色迹象之间的位置关系。当黑色迹象处于探测仪正中时，照明电缆的纵坐标数值加1，反之则照明电缆的纵坐标数值减1。当探测仪检测到黑色迹象处于偏右方时，照明电缆的横坐标数值加1，反之则照明电缆的横坐标数值减1。检测电路会实时根据黑色迹象的具体方位来调整纵横向坐标值，从而实现电缆位置坐标的定位检测。

2.5 声光提示电路

当探测仪确定通电照明电缆位置坐标的同时会通过发光二极管和蜂鸣器进行声光式的提示。如图5所示，为了防止蜂鸣器工作磁场对电缆电流检测的影响，指示电路中采用了光电耦合器［4］，将电信号转换为光信号进行传输，保持电缆检测结果的正确性。

图5 声光指示电路

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

系统在上电后首先进行自检工作，紧接着进行dsPIC33FJ128GP802和LCD液晶显示器的初始化工作;在扫描按键电路确认进入电缆检测模式后，启动电缆的电流检测和位置检测，并将检测结果实时显示在LCD液晶屏幕上。具体的系统主程序流程如图6所示。

图6 系统主程序流程图

3.2 电缆位置坐标检测子程序设计

在系统确认进入电缆坐标检测模式后，立即进行电缆路径的探测工作。系统实时不间断地扫描照明电缆检测电路与dsPIC33FJ128GP802相连的I/O口，如扫描到某个端口的信号值发生了变化，立即启动相关的判断程序，并对相关坐标值进行修正处理，之后将修正后的电缆位置坐标值进行存储。具体的电缆位置坐标检测子程序流程图如图7所示。

图7 电缆位置坐标检测子程序流程图

4 测试结果和误差分析

4.1 测试结果

图8 模拟测试环境图

由于正常情况下室内墙壁电缆的埋深一般在30毫米左右，因此测试中以30毫米厚度的直拼板模拟墙壁环境，探测仪在直拼板正面匀速进行扫描检测。如图8所示，直拼板背面分成7行7列共49个方格，并以图钉侧边压扣的方式布设两根电缆，电缆一端连接市电220V电源，另一端连接灯座，并分别安装功率为60W的白炽灯和功率为11W的节能灯。60W白炽灯的电缆类型选择BV型电线，11W节能灯的电缆类型选择BVR型电线，电缆长度各为3米左右。经过20次的反复测试，可得测试准确率结果如下表1所示。

表1 测试准确率结果

4.2 误差分析

由表1的测试结果我们可以看出，电缆类型的改变几乎不影响测试的准确率;在60秒内探测仪以平稳状态(不抖动)对两种长度约3米的电缆进行测试的结果是令人满意的;而探测仪在平稳状态下以更快的速度(30秒内)进行探测，测试的准确率略有下降，但影响不大，说明测试速度对探测结果有影响，但不是较大的影响因素;在相同探测速度下，非平稳状态(有抖动)时获得的探测准确率相对平稳状态下降较为明显，说明探测通电电缆时操作人员手持探测仪的手部抖动所造成的不平稳状态会较大地影响测试的准确率。所以在使用本照明线路探测仪时应以适度的速度(小于50毫米/秒)和平稳的状态(无抖动)下匀速进行，可获得令人满意的探测结果。

5 结语

本照明线路探测仪以高速的数字信号处理器芯片dsPIC33FJ128GP802为控制核心，可利用非接触式的电流检测技术对墙壁等掩体内的照明线路进行快速而准确的定位探测，并具备LCD显示电缆定位结果和声光提示功能。经过测试我们可以看出，本探测仪具有准确率高、操作简单和检测速度快等方面优点，非常适合家庭使用，同时亦适合电气技术人员进行线路故障的检测，具有一定的推广价值。经过测试结果的深入分析我们发现，操作人员手持探测仪时的手部抖动是影响测试准确率的较大因素，因此探测仪的防抖动问题将是今后设备改进的重点研究方向。

［1］ 李刚，刑佳.一种非接触式高精度AC电流检测系统的设计［J］.现代科学仪器，2010(1):43-46.

［2］ 汪岚.基于STC12C5A602的照明线路探测仪设计［J］.延边大学学报，2014(3):257-260.

［3］ 权晓红.基于巨磁电阻的照明线路探测装置［J］.自动化与仪器仪表，2014(2):66-69.

［4］ 李刚，刑佳，郝丽玲，等.非接触式高精度AC电流检测系统及其实验和误差分析［J］.电子产品世界，2012(1):43-46.