摘  要： 設(shè)計一種基于分布式參數(shù)模型查找電纜故障點系統(tǒng)，以Nios Ⅱ軟核處理器和所需的外設(shè)IP核嵌入到FPGA中為硬件架構(gòu),，移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)為軟件體系,，實現(xiàn)故障的檢測，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞： 電纜；反射,；分布參數(shù),；片上系統(tǒng)

　“十二五”期間,，國家將投巨資進行電網(wǎng)升級改造，如何做到迅速查找電纜故障點并予以修復(fù),，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項重要內(nèi)容,。
　電纜在運行過程中，易受砸,、壓,、碰以及有害物質(zhì)的腐蝕，發(fā)生漏電,、短路,、斷線等故障。電纜的故障是電力系統(tǒng)安全運行的薄弱環(huán)節(jié),，因電纜斷路,、短路引發(fā)的各類重大事故的案例屢見不鮮。另外,，電纜鋪設(shè)具有隱蔽性,，傳輸距離較長，查找故障點十分困難,。
　本文利用電力電纜的分布式參數(shù)特征,，在反射法基礎(chǔ)上，以SoPC為硬件,，設(shè)計了一種電力電纜故障點檢測系統(tǒng),，及時發(fā)現(xiàn)并定位電力電纜故障，提高現(xiàn)場故障判斷的準(zhǔn)確性,、快速性,，對于用電安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣泛,。
1 分布參數(shù)模型檢測電纜故障點原理
　為檢測電纜故障類型及其位置,，在電纜上發(fā)送的信號波長遠(yuǎn)小于電纜長度，即可把電纜看成分布參數(shù)模型[1],，若電纜分布式參數(shù)沿線均勻,，則電纜上信號電壓通解為：

　利用長線終端開路、短路等不同情況,，反射系數(shù)也不同,，來判斷故障類型，進而判斷故障點大致位置,。

                      
　比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn),，信號電壓和電流峰值位置不同，阻抗的性質(zhì)也不同,，將反射信號波形顯示出來,，通過波形可判斷故障性質(zhì),。
利用信號的傳播速度，測出發(fā)送,、接收信號的時間差Δt,，即可通過L=ν·Δt/2，計算出故障點位置,。其中,，ν為發(fā)射信號的傳播速度。
2 電纜故障點檢測設(shè)備的硬件架構(gòu)
　以SoPC為硬件,，電纜故障點檢測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示,。NiosⅡ軟核CPU及各種所需的外設(shè)均通過SoPC Builder集成在一片F(xiàn)PGA中[3]，構(gòu)成本系統(tǒng)所需硬件的可重構(gòu)部分,，實現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng),。為了在低成本情況下完成預(yù)定功能，選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6,。EP1C6無論是從邏輯資源還是存儲器均能滿足設(shè)計要求,。

2.1 主要IP核設(shè)計
　(1)UART內(nèi)核：通用異步接收器/發(fā)送器。UART內(nèi)核執(zhí)行RS-232協(xié)議,，它為FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式,。
帶Avalon接口[4]的JTAG-UART內(nèi)核還提供Nios CPU系統(tǒng)到PC機的連接通路，通過JTAG-UART在PC機上調(diào)試Nios CPU所需要的程序,，并通過監(jiān)控程序?qū)φ麄€系統(tǒng)的運行進行控制,。
　(2)PIO內(nèi)核：并行輸入/輸出內(nèi)核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口,。該IP核是常規(guī)的外設(shè)控制接口,。通過PIO，實現(xiàn)開關(guān)量讀取,，鍵盤輸入,，對LED、LCD等外設(shè)進行控制,。SoPC Builder中提供了PIO內(nèi)核,，可以很容易將PIO內(nèi)核集成到SoPC Builder生成的系統(tǒng)中。
　(3)EPCS內(nèi)核：帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核,。EPCS包含1 KB的片內(nèi)存儲器,。該IP核允許NiosⅡ系統(tǒng)訪問EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置數(shù)據(jù),，主要用于存儲程序代碼或一些非易失性數(shù)據(jù),，本系統(tǒng)中用于波形存儲。
(4)三態(tài)總線橋：該IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器，用于連接兩種不同總線,?？紤]A/D轉(zhuǎn)換器等外設(shè)需要自行開發(fā)I2C配置接口，這些外設(shè)不能直接連到Avalon總線上,，需要通過橋接控制器并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。
2.2 信號的收發(fā)
2.2.1 信號的產(chǎn)生與發(fā)送
　從微波理論可知,，發(fā)送信號的頻率越高越接近于長線理論[5],，即滿足電纜分布式參數(shù)沿線均勻條件。但信號頻率越高,，線路的高頻損耗越大,，信號容易畸變，給檢測也會帶來困難,。在SoPC中,，信號的產(chǎn)生以及信號的頻率和幅度可方便地由軟件調(diào)整。實驗測定,，若測距在10 km左右,，信號的頻率大約在1.5 MHz~150 MHz為宜。
考慮到SoPC器件的驅(qū)動能力微弱,，不能直接發(fā)送給被測電纜,，必須要經(jīng)過一定的放大，故末端采用高頻變壓器加上高頻晶體管射極驅(qū)動電路的形式,。
2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
    采用Analog Devices公司的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9481,，該轉(zhuǎn)換器采樣頻率可達(dá)200 MHz，具有高速,、低功耗,、體積小的特點。適合高采樣頻率和寬帶寬的場合,。為解決信號小不易檢測的矛盾,，應(yīng)加入前置放大級。參考AD9481數(shù)據(jù)手冊,，采用了AC耦合,、雙極性放大器接法。
3 電纜故障點檢測設(shè)備的軟件開發(fā)
　軟件系統(tǒng)體系主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植,、應(yīng)用級代碼編寫等部分,。為了方便用戶編程，NiosⅡ IDE提供了設(shè)備驅(qū)動程序,，在新建工程時NiosⅡ IDE會根據(jù)SoPC Builder對系統(tǒng)硬件配置自動生成一個定制的HAL,，即硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫。基于HAL系統(tǒng)庫的軟件工程的創(chuàng)建和管理與NiosⅡ IDE緊密相關(guān),，圖4為NiosⅡ IDE工程結(jié)構(gòu)[6],。

　一個NiosⅡ IDE工程包括兩個工程：用戶應(yīng)用程序工程和HAL系統(tǒng)庫工程。用戶應(yīng)用程序工程中包含所有的用戶代碼文件,，最終的可執(zhí)行映象由此工程生成,。HAL系統(tǒng)庫工程中包含所有與硬件處理器相關(guān)的接口信息，系統(tǒng)庫工程基于用戶定制的NiosⅡ處理器系統(tǒng),，由SoPC Builder自動生成.ptf文件,。
HAL應(yīng)用程序接口(API)與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫綜合在一起，可以使用類似Ｃ語言的庫函數(shù)來訪問硬件設(shè)備或文件,，如printf(),、fopen()等，而無須關(guān)心底層硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié),。
　在實驗室條件下,，用該系統(tǒng)對1 000 m的電纜進行多次模擬測試，包括短路和開路情況,，所顯示的故障類型正確,，故障點距離均方根誤差E<1%，表明該系統(tǒng)具有良好的精度,。但實驗條件與實際的電纜敷設(shè)環(huán)境差別較大,，實際的敷設(shè)環(huán)境和故障現(xiàn)象要復(fù)雜得多，電纜運行可能出現(xiàn)既非短路又非開路情況,，如漏電故障,。此時，反射回的信號呈現(xiàn)行駐波的方式,，這種工作模式需要提高系統(tǒng)的靈敏度,，可以從提高設(shè)備的抗干擾能力和合理調(diào)節(jié)發(fā)送信號的頻率兩個方面予以改進。
參考文獻
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