高压电塔接地防雷测试装置的数字信号处理系统

才源 陈瑞国 刘忠 赵广忠 刘居辉

【摘 要】本文主要介绍了一种应用于高压电塔接地防雷测试装置的数字信号处理系统，介绍该数字信号处理系统的原理实现过程，设计方法。这些配置可根据STM32F4数据手册进行配置。调试此系统时可借助MATLAB工具，由于MATLAB具有强大的计算能力以及仿真能力，是数字信号处理中非常有用。

【关键词】数字信号处理 接地 防雷

【Abstract】This paper describes a high-voltage tower grounding lightning protection applies to test device digital signal processing system， to introduce the principle of digital signal processing systems process design methods.

【Key words】Digital Signal Processing，Grounding，Lightning

1 数字信号处理简介

数字信号处理（DigitalSignal Processing，简称 DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

2 数字信号处理技术对管线定位系统的意义

高压电塔接地防雷测试装置是根据电磁感应的原理来设计的，主要由发射机和接收机两部分构成。发射机将特定频率电磁信号加在地下埋藏线上，由地下埋藏线产生二次感应电磁场。接收机与配套的发射机一起使用，接收机通过接收由发射机经地下埋藏线产生的特定频率的电磁信号，通过分析和计算可以得出地下管线的位置和埋藏深度。在接收机将线圈的模拟信号经ADC采集转换为数字信号，然后将数据经过数字信号处理得到线圈感应磁场的强度并进行分析判断。数字信号处理质量结果在此装置中尤为重要。

3 数字信号处理器的选择

该系统选用STM32F407系列处理器，其CPU主频达到168MHz，自带3*12bitADC，单个ADC采样速度达到2.4MSPS，满足本系统采样速率 所需，这款是ARM公司推出的 Cortex-M4F 内核是带有 FPU，DSP 和 SIMD 单元的见图1，针对这些单元也增加了专用指令，并且官方对此也有专门的库以方便客户调用，这是区别于Cortex-M3系列的。Cortex-M3以及以下的版本由于没带FPU，DSP和SIMD单元，其处理方式主要由程序来处理，其速度远达不到要求，

只能用来做测试使用，与实际运用相差甚远。

以下图2为不同情况下FFT的实现所需要的时间对比：

由上图2可知STM32F407在开启FPU功能时对数字信号处理速度有很好的提高。

4 数字信号处理系统处理流程

如图3所示。

4.1 信号预处理模块

线圈接收到的信号较弱，要经过信号预处理，信号预处理主要是讲信号放大。本信号预处理模块采用AD8231数字可编程仪表放大器，其放大倍数为1，2，4，8，16，32，64，128倍软件可编程增益，还包含一个通用运放放大器，提供额外的增益。由于STM32F407的ADC采集为单电源采集方式，其采集范围为0～3.3V所以信号预处理时提供的基准电压VRef为采集最大电压1/2，即为1.65V，将信号上拉至1.65V给ADC采集，保证采样信号完整性，CPU判断数据可为信号预处理模块提供不同的增益以提高采集精度。

4.2 ADC采集数据

STM32F407有三个12bit ADC，单个采样速率2.4MSPS，3个一共开启采集速度可达7.2MSPS采样率。由于发射机最高频率为30K，根据奈奎斯特采样定理可知采样速度要达到采样频率的2倍以上可还原信号，系统采用2^N采样倍数进行采样，采样点数为1024个，当采样点数达到1024个时进行FFT变换处理，得出所需要的值，N=3时为8倍的采样速率，所以单个ADC采样为240KSPS再乘以8路信号，一共是1.92MSPS小于2.4MSPS满足要求。

系统采用ADC1，其频率设置为：

PCLK2 = HCLK / 2

ADCCLK = PCLK2 /2 = HCLK / 4 = 168 / 4 = 42M

但是ADCCLK最大频率为36M，所以ADCCLK只能为36M

Sampling Time + Conversion Time = 3 + 12 cycles = 15cyc

Conversion Time = 36MHz / 15cyc = 2.4MSPS

通道数为8通道，12bit的采样位数，通道为ADC_Channel_1～ ADC_Channel_8八个采样通道，采用DMA传输至定义好的数组中ADCConvertedValue[8*1024]，数组大小为8*1024.其存放顺序是1-8重复存放，每次采样由TIM1定时器触发，当采样数达到8*1024时将ADCConvertedValue[8*1024]分别拆分在八路信号的数组中ADCConvertedValue1_in[1024]～ ADCConvertedValue8_in[1024]，配置DMA满时中断即可对数据进行处理。

4.3 数据进行数字信号处理

数字信号处理部分采用傅立叶变换，傅立叶变换是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，傅立叶变换用正弦波作为信号的成分。

连续形式的傅里叶变换其实是傅里叶级数的推广，因为积分其实是一种极限形式的求和算子而已。对于周期函数，它的傅里叶级数（Fourier series）表示被定义为：

其中 T 为函数的周期，Fn 为傅里叶展开系数，Fn为：

对于实值函数，其里叶级数可以写成：

其中 an 和 bn 是实频率分量的振幅，由理论可知，一个周期的信号是由无穷个正余弦波叠加而成的，当要得到某种信号的幅度时，信号经过傅里叶变换取得对应频率的幅值。

当采样频率为Fs，采样信号频率f，采样点数为N，Fs一般为f的2^n倍，n为正整数，其得到采样信号分辨率为Fs/N，例如：Fs=1024HZ，N=1024，f=256HZ，其分辨率为1024HZ/1024=1HZ，分辨率随着采样点数增加而增加，由于分辨率为1HZ，所以f为傅里叶变换的第257个点，第一点为直流分量，傅里叶变换得出的幅值K，转换为信号的幅值公式为：直流分量幅值=K/N，交流分量幅值=K/（N/2）。

以下使用本系统最大频率进行说明，其它频率也一致：

由于采样频率为240K，采样点数为1024，其分辨率为240KHZ/1024=234.375HZ，当发射机发射信号为30K时，此时FFT变换的所得的模值最大为30K所在的位置，即30KHZ/234.375=128，即第129个值为最大值。

用到STM32F4库函数为：

cr4_fft_1024_stm32（ADCConvertedValue1_out[1024]， ADCConvertedValue1_in[1024]， 1024）；//将ADC采样回来的值进行FFT变换，这是为DSP库自带的处理函数

这个汇编的FFT库是来自STM32F10x DSP library，由于是汇编实现的，而且是基4算法，所以实现FFT在速度上比较快。

如果x[N]是采样信号的话，使用FFT时必须满足如下两条：

（1）N得满足4n（n =1，2， 3…..），也就是以4为基数。

（2）采样信号必须是32位数据，高16位存实部，低16位存虚部（这个是针对大端模式），小端模式是高位存虚部，低位存虚部。一般常用的是小端模式。

此时，我们将其中的一路信号串口打印输出，放到MATLAB上仿真可得如下：

MATLAB参数如下

>> N=1024；

>> n=0：N-1；

>>x=将串口打印出来数据存放在此处；

>>y=fft（x）；

>> M=abs（y）；

>> plot（n，M）；

得到如下图4所示。

这时可在MATLAB workplace查看M的值如下图5所示。

可以见到第129个点的值为3.0732*10^5，即此处为30K频率所在位置，与理论得出结果相似，将此时得到值3.0732*10^5/（N/2）=600.234单位为mv，即为线圈感应到的电压值。将示波器搭在ADC采样前端并开启滤波功能，得到的峰峰值为590mv与数字信号处理得出结果相仿。可知数字信号处理正确。

4.4 CPU判断处理后数据

将八路信号处理过数据进行管线定位和深度的算法计算，并控制增益等。

5 结语

电压电塔接地防雷测试装置的数字信号处理系统关键在于ADC采集配置，8路ADC采集所需的时间较长，STM32F4系列的采样频率刚好满足所需要的速度，并且自带的DSP单元大大提高计算效率，其采样频率可由定时器来控制，数据传输采用DMA，DMA设置中断，当采样数据满时触发中断进行数字信号处理。这些配置可根据STM32F4数据手册进行配置。调试此系统时可借助MATLAB工具，由于MATLAB具有强大的计算能力以及仿真能力，是数字信号处理中非常有用。