摘要：首先介紹了檢測(cè)電纜故障的方法及原理并介紹高壓脈沖信號(hào)源的總體設(shè)計(jì)方案和組成部分。信號(hào)源硬件的主要器件為IGBT驅(qū)動(dòng)模塊VLA517和數(shù)碼管液晶顯示模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信號(hào)源的電路功能。接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹了所選用的單片機(jī)C8051F310的主要特性，并對(duì)于軟件設(shè)計(jì)中使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。本文的最后一部分內(nèi)容是軟件部分的設(shè)計(jì)，包括定時(shí)程序和數(shù)碼管顯示程序兩部分。實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了信號(hào)源軟硬件設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。

隨著社會(huì)的發(fā)展，10 kV電力電纜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，用電纜供電有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于系統(tǒng)擴(kuò)容等因素的沖擊，運(yùn)行時(shí)間越久，故障越來(lái)越頻繁，為了提高供電可靠性就必須以短時(shí)間修復(fù)這些電纜故障，但是電纜是埋在地下的不便于直接觀察發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。而如何查找故障點(diǎn)成為我們不斷深入研究的課題。目前經(jīng)常用的測(cè)距法是脈沖反射法、但是這種方法誤差比較大，配合此測(cè)距方法經(jīng)常使用的精確定點(diǎn)法是聲測(cè)法和聲磁同步法，然而在脈沖反射法和聲測(cè)法中關(guān)鍵是高壓脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 脈沖信號(hào)源系統(tǒng)組成

高壓脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生并發(fā)送幅值為10 kV的周期脈沖信號(hào)，脈沖的寬度及周期都是可調(diào)的。系統(tǒng)主要由主回路、控制回路、顯示器三部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

主回路部分，首先將220 V交流電源經(jīng)整流、濾波后變?yōu)橹绷?，電壓?70 V左右，開(kāi)關(guān)管采用絕緣柵雙極型晶體管(Isolated Gate Bipo lar Transistor，IGBT)，并選用了VLA517作為IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)控制回路輸出脈沖信號(hào)加到IGBT時(shí)，使IGBT導(dǎo)通，脈沖變壓器的原邊有一個(gè)脈沖電流流過(guò)，脈沖變壓器的變比為1：40，隨即在脈沖變壓器的副邊產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖，顯示器部分將脈沖信號(hào)的周期、脈寬和脈沖發(fā)送間隔顯示在數(shù)碼管上。

2 信號(hào)源控制電路

信號(hào)源的控制回路即是單片機(jī)的硬件系統(tǒng)，如圖2所示。圖中，顯示部分采用數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)芯片用2003，該芯片驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)20個(gè)TTL芯片，電源用三端穩(wěn)壓塊AS1117提供，輸入5 V，輸出3.2 V。

5個(gè)按鍵K1、K2、K3、K4、K3用來(lái)控制信號(hào)源正常工作，并用五位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，其功能如下：

復(fù)位鍵K5：是單片機(jī)復(fù)位，數(shù)碼管顯示全零，表示復(fù)位成功。

啟動(dòng)/停止鍵K4：實(shí)現(xiàn)脈沖的發(fā)射與停止功能，如果我們按下K4的時(shí)間不到3 s那么發(fā)送脈沖，數(shù)碼管顯示“RUN”;如果按鍵時(shí)間大于3 s則停止發(fā)送脈沖，數(shù)碼管顯示“STOP”。

設(shè)置按鍵K3：用來(lái)控制脈寬還是脈沖周期的設(shè)置，如果按鍵時(shí)間小于3 s那么進(jìn)行脈寬的設(shè)置，數(shù)碼管顯示脈寬初值“1”單位是μs;如果在3～10 s之間則進(jìn)入脈沖周期的設(shè)置，數(shù)碼管顯示初值“1000”單位是μs;大于10秒則進(jìn)入發(fā)脈沖間隔時(shí)間設(shè)置，數(shù)碼管顯示初值“60 00”單位是μs。

減少按鍵K2：用于設(shè)置減少相應(yīng)的數(shù)值(脈寬、周期、間隔)，從數(shù)碼管顯示的數(shù)值變化可以看出其數(shù)值減小。

增加/間隔按鍵K1：用于設(shè)置增加相應(yīng)的數(shù)值(脈寬、周期、間隔)，從數(shù)碼管顯示的數(shù)值變化可以看出其數(shù)值增加。

P1.0用來(lái)觸發(fā)脈沖源的IGBT，用以產(chǎn)生高壓脈沖。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)工具

單片機(jī)的編程語(yǔ)言可以是匯編語(yǔ)言，也可以是高級(jí)語(yǔ)言(C語(yǔ)言)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文采用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言和Keil C51軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它是美國(guó)KeilSoflware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

C8051控制回路采用單片機(jī)C8051F310，該單片機(jī)運(yùn)行可靠，體積小，功能強(qiáng)大，與8051單片機(jī)兼容，其管腳排列如圖3所示。

如圖4所示該單片機(jī)采用32腳封裝的芯片，4個(gè)端口P0～P3通過(guò)交叉網(wǎng)絡(luò)輸出，接上拉電阻時(shí)可以承受5 V的耐壓，即輸出電壓為5 V，此時(shí)為漏極開(kāi)路輸出。如果不接上拉電阻，則為推挽輸出，輸出電壓為3.2 V，由PxMDOUT決定。C8051F310最大的優(yōu)點(diǎn)是其內(nèi)部帶有振蕩器，不必外接晶體，而且可編程分頻，最大頻率為24.5 MHz。只要讓OSCICN=OSCICN10x03，就表示內(nèi)部時(shí)鐘且不分頻。

3.2 整體程序流程圖

如圖5所示在開(kāi)機(jī)初始化后，定時(shí)計(jì)數(shù)器T0周期掃描數(shù)碼管對(duì)其進(jìn)行逐位顯示即動(dòng)態(tài)顯示，由于人的視覺(jué)暫留時(shí)間為0.1～0.4 s，而我們的每位間隔掃描時(shí)間為l ms所以我們看到五位數(shù)碼管顯示的數(shù)字是不變的;然后我們對(duì)鍵盤掃描，K4控制啟動(dòng)或停止發(fā)送脈沖，K3選擇設(shè)置脈寬、周期、發(fā)送脈沖間隔，K2塒K3選取的設(shè)置項(xiàng)將其數(shù)值減少，K1對(duì)K3選取的設(shè)置項(xiàng)將其數(shù)值增加。

3.3 脈沖發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部有4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，這些定時(shí)器可以用于測(cè)量時(shí)間間隔，對(duì)外部事件計(jì)數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。發(fā)送脈沖程序流程圖如圖6所示。

本文選用單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器T0、T1、T2，T3方式1。方式1的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器使用全部16位，選擇系統(tǒng)時(shí)鐘，作為定時(shí)器0的時(shí)鐘源。用T0定時(shí)1ms掃描數(shù)碼管顯示;T2定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為脈沖間隔時(shí)間，T2計(jì)時(shí)期間IGBT是關(guān)斷的;當(dāng)T2計(jì)時(shí)結(jié)束后開(kāi)始T3計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)長(zhǎng)度為脈沖的寬度，T3計(jì)時(shí)期間IGBT打開(kāi);當(dāng)T3計(jì)時(shí)結(jié)束T1開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)長(zhǎng)度為脈沖周期減去脈沖寬度，T1計(jì)時(shí)期間IGBT關(guān)閉，T1的中斷次數(shù)為100的時(shí)候關(guān)閉IGBT，打開(kāi)T2定時(shí)器開(kāi)始再次休息-發(fā)射脈沖的循環(huán)。

T0定時(shí)程序的主要代碼：

單片機(jī)中交叉開(kāi)關(guān)的配置，C8051F310有29個(gè)I/O引腳(3個(gè)8位口和一個(gè)5位口)，每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O。被選擇作為數(shù)字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳。在脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)中，使用到單片機(jī)的4個(gè)I/O端口，分別是P1.0，主要是輸出脈沖信號(hào)，還有下面小節(jié)用到的與液晶顯示模塊的連接所用到的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、PI_5 5個(gè)接口。

交叉開(kāi)關(guān)根據(jù)優(yōu)先權(quán)譯碼表為所選擇的內(nèi)部數(shù)字資源分配I/O引腳，寄存器XBRO和XBR1用于選擇內(nèi)部數(shù)字功能寄存器XBRO和XBR1必須被裝入正確的值以選擇設(shè)計(jì)所需要的數(shù)字I/O功能。置‘1’XBR1中的XBARE位將使能交叉開(kāi)關(guān)。

用端口輸出方式寄存器(PnMDOUT)選擇所有端口引腳的輸出方式(漏極開(kāi)路或推挽)。I/O引腳的輸出驅(qū)動(dòng)器特性由端口輸出方式寄存器PnMDOUT中的對(duì)應(yīng)位決定，每個(gè)端口輸出驅(qū)動(dòng)器都可被配置為漏極開(kāi)路或推挽方式。本設(shè)計(jì)中將端口P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5所對(duì)應(yīng)的端口1輸出方式寄存器P1MDOUT中的相應(yīng)位置1，設(shè)置為推挽方式。

具體配置如下：

3.4 數(shù)碼管顯示軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)顯示部分采用的是共陰極8位數(shù)碼管，并用2003驅(qū)動(dòng)，由于數(shù)碼管是8位即a(P0.0)、b(P0.1)、c(P0.2)、d(P0.3)、e(P0.4)、f(P0.5)、g(P0.6)、dp，dp是顯示小數(shù)點(diǎn)的位，本設(shè)計(jì)中并未用到。由于驅(qū)動(dòng)2003是由8個(gè)非門構(gòu)成，所以要想點(diǎn)亮我們的共陰極數(shù)碼管那么相應(yīng)的P0.X應(yīng)設(shè)為0，數(shù)字0-9的ASCII碼為0x40，0x79，0x24，0x30，0x19，0x12，0x02，0x78，0x00，0x10。例如我們想顯示數(shù)字0那么P0=0x40。

而我們的段選是由P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5控制的，第一段數(shù)碼管選中用P1 |=0x02;P1 =0xC3;第二段數(shù)碼管選中用P1 |=0x04;P1 =0xC5;第三段數(shù)碼管選中用P1 |=0x08;P1 =0xC9;第四段數(shù)碼管選中用P1 |=0x10;P1 =0xD1;第五段數(shù)碼管選中用P1 |=0x20;P1 =0xE1;

如圖7所示在開(kāi)機(jī)初始化后我們?cè)O(shè)置不同的標(biāo)志位用來(lái)顯示不同的內(nèi)容：flage為1表示要顯示脈沖寬度，flage為2表示顯示脈沖的周期，flage為3表示顯示發(fā)送脈沖的時(shí)間間隔，flage為4表示發(fā)送脈沖，flage為5表示停止發(fā)送脈沖。

4 發(fā)送脈沖波形圖

我們?cè)O(shè)置的脈沖的寬度為4μs，脈沖周期是1 ms，脈沖的間隔時(shí)間是6 s時(shí)候的發(fā)射脈沖波形圖如圖8所示。

本文實(shí)驗(yàn)所用電纜型號(hào)ZRYJLV22額定電壓8.7/15 kV，變壓器為1：40的高頻變壓器，脈沖信號(hào)經(jīng)變壓器變壓達(dá)到10 kV的脈沖被直接送到線路，啟動(dòng)運(yùn)行按鍵向線路注入脈沖，形成入射信號(hào)。由圖1可知入射信號(hào)經(jīng)電阻R4(1k)分壓被送到示波器，便于實(shí)驗(yàn)中觀察信號(hào)，示波器測(cè)量到的波形如圖9所示。

5 結(jié)論

本高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器不但可以實(shí)現(xiàn)基本的脈沖信號(hào)的發(fā)送與停止功能，而且脈沖寬度、周期和脈沖間隔時(shí)間是可以設(shè)置的，可以根據(jù)我們的需要進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)用的變壓器最大匝數(shù)比是1：40，而且有4個(gè)檔可以調(diào)節(jié)即1：10、1：20、1：30、1：40，輸入為220 V因此輸出的高壓脈沖電壓最大可以達(dá)到10 kV?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的個(gè)人需要變換使用其他的變壓器，把電壓升到你需要的高壓值。本設(shè)計(jì)成本低、使用方便而且有較高的可行性。