基于DSP与ZigBee的电缆绝缘状态监测系统设计

孙中皋 王新军 李梦轲

摘 要：工矿开采设备在较为恶劣的环境中长期运转易造成电缆绝缘老化，通过检测电缆绝缘状态可排除安全隐患。传统绝缘状态监测系统大多采用有线方式，布线难度大。因此设计一种基于DSP与ZigBee技术的绝缘状态实时无线监测系统。该系统采用TMS320F28335为主控器，对采集的电压和电流信号进行同相计算，并将计算得到的电阻值通过串口传送给ZigBee模块进行压缩打包，通过多跳方式传送至监测终端进行显示、存储并发出预警信息。系统软件部分采用C语言设计实现。测试结果表明，该系统检测精度高、实时性好，具有一定的应用价值。

关键词：绝缘状态;TMS320F28335;ZigBee;实时监测

DOI：10. 11907/rjdk. 201068 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）008-0139-04

Abstract：The mining equipment often operates in a severe environment， which is easy to cause the cable insulation aging. The hidden dangers can be eliminated by detecting the insulation state of the cable. The traditional insulation monitoring system mostly adopts wired mode， which makes wiring difficult. To solve this problem， this paper designs a real-time wireless monitoring system of insulation state based on digital signal processing （DSP） and ZigBee technology. The system uses TMS320F28335 as the main controller， carries on the same phase to the collected voltage and current signals， and transmits the calculated resistance value to ZigBee module through the serial port. ZigBee module compresses and packs the received data， and transmits it to the monitoring terminal through the multi hop mode. The terminal equipment can display， store and alarm. The software part of the system is designed and implemented with C language. The test results show that the system has high detection accuracy， good real-time performance and certain application value.

Key Words：insulation status; TMS320F28335;ZigBee; real time monitoring

0 引言

工礦开采设备工作环境恶劣，高压电缆绝缘材料极易老化失效[1]，使电缆出现故障。提前确保电缆绝缘处于良好状态可保证设备稳定运行，消除安全隐患，提升作业安全性。目前电缆绝缘状态在线监测方式主要有直流分量法、直流叠加法、局部放电测量法和接地线电流法等[2]。叶冠豪等[3]采用直流分量法，通过测量电缆水树枝在长期交流工作电压下发生整流效应从而产生微弱的直流漏电流大小，反映电缆绝缘材料老化程度，但由于水树枝只存在于部分电路中，该方法适用范围有限;李三旦[4]采用直流叠加法，将50V低压直流电叠加在电缆工作时的内部交流电上，通过判断电缆绝缘层微弱的直流电流确认电缆绝缘材料老化程度，但该方法易导致电压互感器产生零序电压，使继电器发生误判;顾朝敏等[5]采用局部放电法，对电缆施加高压，观察电缆中存在的杂质、缝隙等引起的局部放电现象，根据放电信号强度判断电缆绝缘状态，但由于局部放电的电信号十分复杂，该方法无法实现在线监测;程琳等[6]采用接地电流法，通过监测接地电流反映绝缘电阻状况，该方法实现了电缆无损伤监测，易于实现。

随着微处理器在工业中的应用越来越广泛，采用单片机等微处理器进行绝缘状态监测的方法提升了结果可靠性。王婷[7]将MSP430单片机与GPRS相结合，采集电缆绝缘电阻值，并采用ZigBee技术采集绝缘温度用于判断异常位置信息;苏文[8]以DSP为主控器采集矿用高压电缆特征参数，并通过RS485总线将数据传输至监测终端。本文将DSP和ZigBee技术与现有在线监测技术融合，搭建一种高压电缆绝缘电阻实时无线监测系统，该系统通过电压互感器、电流互感器和温湿度传感器采集电缆参数特征，DSP对数据进行同相、计算等处理后发送给ZigBee模块，之后数据经过无线多跳传输后发送至监测终端。

1 系统总体方案

电缆绝缘状态实时无线监测系统总体设计如图1所示，分为信号采集模块、DSP主控制器及ZigBee无线传输单元3部分。信号采集模块主要采集电缆电压与电流信号，并将信号调理至合适范围，送至DSP片内的AD转换器，另一路信号经过方波转换电路转化为方波信号发送至DSP的eCAP单元，用于同相计算。DSP主控制器负责将信号转换为数字信号，对电压和电流信号进行同相处理，并计算出绝缘电阻值，与温湿度信息一起传送给ZigBee模块。ZigBee无线传输单元将采集的电缆参数通过无线多跳的方式传送至监测终端节点，再通过串口上传至上位机。

2 系统硬件设计

2.1 信号采集模块

信号采集模块由交流互感器、增益放大电路、稳压电路及方波转换电路组成，主要功能是将采集的电压和电流信号调理至合适的数值范围，包括电压信号调理转换电路及电流调理转换电路两部分。电压调理转换电路原理如图2所示，电缆电压信号经电压互感器TV1005-1M传送至增益放大器，电阻R17控制互感器输出的电压范围。

增益放大电路主要由运算放大器AD620芯片组成，电阻R11与R14相结合控制AD620输出信号幅度为-1.5V～+1.5V。放大后的电压信号由四路运算放大器LM324组成的加法电路提升到0～3V，其中二极管D14和D15的作用是确保电压输出范围在0～3V，保障DSP的ADC模块正常运行。同时将已调理的电压信号送入由施密特触发器CD4093B组成的方波转换电路，将正弦电压信号转换成方波信号，送入DSP的eCAP单元提取信号周期并进行相位检测。

电流调理转换电路与电压调理转换电路相似，如图3所示。不同之处为信号采集采用电流互感器TA1015，由于电流互感器输出的电流十分微弱，因此电流调理转换电路中的增益放大部分对信号的放大接近1 000倍，而电压调理转换电路中的放大倍数为2～3倍。两个调理转换电路中的放大倍数作为参数在软件中参与绝缘电阻计算，从而保证绝缘电阻值计算准确。

2.2 DSP主控模块

2.2.1 DSP选型

系统采用TMS320F28335的DSP芯片作为主控制器。TMS320F28335以功耗低、片上资源丰富等特点在工业控制领域得到广泛运用。TMS320F28335的32位浮点运算能力可完成较高精度的数据处理，150MHz的主频可保证控制器完成高频数据采集和分析。TMS320F28335片内的12位AD转换模块满足本文系统测量精度需求，且具有两路采样保持器，保证了系统对电压信号和电流信号同时进行采集的設计需求。此外，TMS320F28335芯片特有的片内增强型脉冲捕获模块eCAP可迅速捕获输入端口的电平状态及脉冲，满足本文系统对电压和电流方波信号进行同相处理的需求。

2.2.2 相位同步及绝缘电阻计算

保证电压和电流相位同步是精准计算绝缘电阻阻值的前提，且矿用电缆工作电压多为高频，增加了相位检测难度[9]。如图4所示，假设电压信号和电流信号相位差为[Δθ]，本文采用相位同步方法对电压信号和电流信号进行同步并计算绝缘电阻，具体步骤为：①假设AD转换器采样频率为[f]，则经AD转换后得到的数字信号的数据点时间间隔为[ΔT=1/f];②采用eCAP分别捕获电压和电流方波信号跳变脉冲，计算两个信号上升沿跳变时间间隔，记为[Δt];③将滞后的信号数据向前移动[Δn=ΔtΔT]个数据位，得到相位同步后的电压和电流信号;④采用文献[8]提出的基于模型参数识别的绝缘电阻测量方法求出绝缘电阻值。

2.2.3 温湿度采集

系统利用温湿度传感器DHT11采集监测环境温度和湿度信息，采集数据以串行通讯方式送入DSP。

2.3 ZigBee无线传输单元

ZigBee无线通信具有低功耗、短距离高速传输的特点。为远距离传输数据，可采取多个ZigBee节点以接力的方式传输，各节点遵循同样的通讯协议，构成一个数据传输组织网络[10-14]。无线传输网络有多种拓扑类型，本文系统节点网络采用线性拓扑设计[15]，即采用一对一节点传输，节点在部署时可成一定角度，不需要严格按照直线分布，该方式适用于曲折的矿井隧道等环境。

本系统传输节点采用TI公司的CC2530F256芯片，该芯片具有功耗低、片上资源丰富的特点，是理想的传感器节点处理器芯片。传输节点预先部署在矿井隧道沿线，经过DSP处理后的数据，采用ZigBee协议进行数据多跳传输[16]，最终数据经CC2530通用IO口串行方式传至上位机。

3 系统软件设计

系统软件设计总体流程如图5所示。系统软件主要由3部分组成：软硬件初始化、基于DSP的数据采集和处理、基于ZigBee的数据传输。

3.1 系统初始化

系统上电后，DSP片内Flash软件程序开始运行，随后调用各硬件模块初始化程序，按照预先设定的参数对各模块进行初始化。硬件初始化模块有DSP的IO口、中断模块、A/D转换模块、eCAP模块及ZigBee发送和传输模块。

3.2 数据采集与处理

对于经外围调理转换电路传至DSP的电压和电流信号，系统首先采用相位同步算法计算出电压、电流信号的相位差，结合相位差信息，对电压数据或电流数据进行整体移位处理，保证同一时刻电压与电流值相互匹配;其次，结合硬件电路中互感器比例系数和放大电路放大倍数等参数，对电压、电流数据进行恢复处理，将处理后的电压信号及电流信号基于模型参数识别原理计算出精确的绝缘电阻阻值;最后对计算得出的绝缘电阻阻值进行判断，观察其是否处于用户设定的正常范围内，若超出正常范围，调用报警异常处理程序，并在屏幕上显示警告信息。若电阻值在正常范围内，则显示系统监测到的实时状态。

3.3 数据传输

DSP主控制器将处理后的电缆特征参数以串行通信方式送至ZigBee无线发送模块，数据经多跳节点传至监测终端。节点间数据传输采用Z-Stack协议栈实现。协议栈提供应用层API供用户使用，节点首先调用无线接收函数接收数据，待数据接收完毕后，节点调用无线传输函数将打包好的数据无线发射至下一个节点。最后监测终端在接收无线传输的数据后，通过有线方式传至上位机进行储存和观察。

4 测试结果

为测试系统性能，以实验室380V电压、50Hz频率的交流电电缆作为监测对象，选取教学楼内环形走廊作为测试区域，模拟系统在矿井隧道转弯处的工作情况，测试时节点分布与实景分别如图6、图7所示。