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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 绪 论1.1概述1.1.1研究现状在地质勘探或是油田勘探的过程中，常会用到地震勘探。爆炸震源是地震勘探中广泛采用的非人工震源。虽然目前已发展了重锤、连续震动源、气动震源等一系列地面震源，但陆地地震勘探经常采用的重要震源仍为炸药。炸药安放的过程中需要测量起爆电缆的长度，准确的测定线路的长度是勘探顺利进行的前提和保证。但是由于炸药安放在地面下的竖井中，难以直接测量线缆的长度。目前勘测中常使用的方法是利用电阻表测量电缆的电阻值，再通过换算得出导线的长度。测量过程中需要人工对测量结果进行换算和记录，不仅增加了勘探的工作量，在换算和记录过程中还容易产生错误。在地址勘测中
2、，勘测地点往往都在野外，缺乏固定的标记物和指示。尤其在密林和荒漠等环境中，必须借助仪器来定位。目前最常用定位仪器通常都要使用到GPS。GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的缩写，是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。该系统的建立从根本上解决了人类在陆地、海洋、航空、航天等各个方面的导航和定位问题, 具有很高的实用价值。在电力系统通信和电力系统自动化等领域也有广泛的应用。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，
3、后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广泛的用途。用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制
4、网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。自从海湾战争中美军成功地使用了全球定位系统（GPS）后，GPS卫星导航技术及相关产品就成为全球军队武器装备追逐的对象。与此同时，具有定位、测量、授时等功能的GPS技术被更多的行业所接受和采用，随着信息产业和现代交通工具的发展，GPS技术更渗透于工作与生活的各个方面。近年来，水利事业中也频繁地应用到这项技术。应用于水利部门，导航仪可以为防汛抗洪的指挥工作提供极大的方便和帮助。大水之年，受灾地区已是水天一片，公路被淹没，通迅设施被冲毁，如何在没有任何参照物
5、的情况下，将大量抢险物资运送到指定地点，将紧急救援人员准确调动到前线，多用途卫星导航定位仪可以担此重任。它能为救援工作提供指导行进的电子地图，救援人员根据电子地图自行导航，借助卫星定位技术和电子地图显示自行判读，明确自己现在的地理位置和到达目的地的距离及所需时间。为保障迅速到达目的地，救援人员还可以在电子地图中预设行进路线，并在重要的位置进行标定，当沿自选的路线行动，发生偏航时系统全自报警，保证正确地行动。当前，对目的地及周边环境的查询需求带动了GPS导航市场的繁荣。据相关统计，欧美国家导航设备普及率达到90%，日本更是超过95%。一项对3G应用的展望和创意的专业调查显示，17.79%的被调查
6、者选择了3G网络视频对话，15.34%的被调查者选择了GPS/地图搜索，在3G时代来临之际，人们对GPS/电子地图的关注，足以显现它对日常生活中的重要性。2005年，我国民用汽车保有量就达到了3160万辆，但是装载导航设备的车辆，还不足2%。尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统，对其他低端车型也会有选装导航产品的服务，但价格不菲的车载导航仪让不少买车的人放弃了实用性很强的导航配置。按照私人汽车拥有量年均增速20%测算，对导航产品的需求也是一个很大的增量。1.1.2研究内容目前使用的导航仪或全站仪等仪器中大都带有GPS功能，但在地震勘测过程中，寻找的目标是事先安装好导线的目标，坐
7、标是已知的，并不需要十分精确的目标定位，只需引导使用者找到目标即可。因此使用全站仪之类的仪器虽然精度高， 但是由于使用复杂，且使用者需要进行专门的培训，给勘测带来诸多不便。而一般的导航仪采用的是电子地图导航，需要公路或其他标志物作为参考，显然不适合野外使用。另外，由于仪器功能单一，使用者不得不携带多种仪器，更加重了使用者的负担，降低了工作的效率。为解决上述问题，本设计将线路测量系统和导航系统集成在一起，并且在测量电阻的基础上增加了自动线长换算、换算参数标定和存储功能。同时，系统在测量线长时会自动记录下测量点的坐标，系统可以通过手动输入坐标或调用系统内已存的坐标指引使用者到达目标点。在实现功能的
8、同时尽量减小使用的复杂程度，降低使用者的工作量。第二章 系统总体设计2.1功能分析本设计将导航仪和线路测量系统集成在一起，基本功能为两者功能的结合。即线缆电阻测量和系统导航。根据使用场合分析，由于系统测量的电缆为连接有雷管的起爆电缆，电流过大会造成危险。根据工业电雷管的国家标准GB 80312005中规定电雷管的安全电流为0.18A，设计测量电流应远小于0.18A。系统自动将测量得到的电阻换算成为线缆长度，由于线缆的长度不同将会导致换算系数的变化，系统需在更换线缆材料时能够对换算系数进行标定。进行导航需了解系统本身的坐标和目标点的坐标。系统本身的坐标需通过GPS定位实现，目标点的坐标可以通过手
9、动输入，也可以通过选择系统曾经测试过的坐标点。综上所述系统设计功能为：1. 测量电缆电阻；2. 测量电流不超过50mA；3. 自动将电阻换算为长度；4. 测量数据存储；5. 换算系数标定；6. 显示系统的GPS坐标；7. 输入坐标定点导航；8. GPS坐标存储；9. 存储坐标定点导航。2.2方案选择2.2.1线路测量方案导线长度测量，主要用于各种电力电缆或电信电缆，为了找出适用于本设计的长度测量方法，有必要对己知的线路故障定位方法进行分析。电力电缆故障探测的方法最早是在二战前提出的，发展至今己经出现了诸如:电桥法、驻波法等经典理论方法，以及五十年代的低压脉冲法、七十年代的脉冲电压法、八十年代的
10、脉冲电流法等现代行波法。下面简要介绍各种测量方法的原理，以便分析各种方法的优劣，分析更适合测量导线的长度的方法。1.电桥法单相接地故障是最常见的电缆故障之一，通常占各类故障的总和的90%，传统的测试是用电桥法。由于同一性质的单相接地故障，它的接地电阻可以从几欧姆至兆欧级，因此可用的电桥也稍有差别，但其原理均相同。电桥法的基本原理和基本接线如图2-1所示。图2-1 电桥法及接线当电桥平衡后，故障点距离用式（2-1）进行计算。 （2-1）其中，X故障点距离(m)；L电缆线路长度(m)；R1电桥固定臂读数；R2电桥可变臂读数。用电桥法测试故障点的精确性与接地电阻值有关。接地电阻值越小测试精度越高。为
11、达到可能高的精确度，常用大电流烧断接地电阻。但接地电阻不宜过小，因为烧断接地电阻需要一定时间，也不利于其后的定点实验。接地电阻为千欧数量级是最为理想的，其精确度可小于0.1%。为了消除电桥法中临时引线带入的误差，除了将电桥接到电缆的二根引线轮换测试外，还应在电缆的另一侧进行重复测试。经验表明在近故障点一侧测试的故障点距离比远离一侧的精度要高。电桥法的优点是简单，方便，精确度高，但它的主要缺点是不适用于高阻故障、闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪器，很难探测。但是，实际上故障大部分是属于高阻与闪络性故障。这样在使用电桥法测距之前，需用高压设备将故障点烧穿，使故障
12、点电阻降到可用电桥测量的范围内。而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低，呈永久短路，以至于不能用放电声测法进行最后定位。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三相短路或断路故障。随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。2.低压脉冲反射法低压脉冲反射法主要用于低阻和断线故障测距。是应用脉冲行波和时间成线性关系的原理，因此和电缆线路的结构无关，只要绝缘介质均匀，就可方便地检测故障范围
13、。它的原理及发射和断路反射波形如图2-2所示：图2-2 低压脉冲反射法院里及波形基本方法是首先向电缆导线首阶跃电压或脉冲电压)，通过测量入进行测距，见式(1-2)：（2-2）其中L为故障距离，为入射行波和反射行波之间的时间差，v为行波在电缆中的传播速度。该方法简单直观，不需要知道电缆的准确长度，根据脉冲反射波还可以识别电缆接头与分接点的位置，测试简单，操作容易，且精度高。该方法可用于电缆低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，这类故障占所有电缆故障的10%,在电缆故障测试中占有举足轻重的作用。脉冲反射法中识别故障点的反射波和区别由其它由于不均匀性造成的反射波，如电缆接头反射波，是测试技术的关键。
14、反射波的幅值主要决定于故障点电阻对波阻抗之比。接地故障的电阻对波阻抗之比(Rf/Z0)大于10时，反射波幅值只是等于或小于脉冲起始波的5%，而多数接地故障的测试局限了脉冲反射法的应用。而断线故障由于断线电阻较大，可得几乎100%的反射波幅值，因此脉冲反射波法特别适用于断线故障。3.脉冲电压法脉冲电压法，又称闪测法。此方法实际上是行波法离线故障测距的一种形式。此方法是70年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。该方法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生
15、的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试技术的重大进步。就大部分故障本质来说，基本都属于绝缘体的损坏。高阻故障是由于绝缘介质的抗电强度下降所致。因为故障点的阻值高，测量电流小，所以即使用足够灵敏的仪表也难以测量。对于脉冲法，由于故障点等效阻抗几乎等于电缆特性阻抗，所以反射系数几乎等于零，因得不到反射脉冲而无法测量。但从介质的电击穿现象出发，只要对电缆加足够高的电压(当然低于最高试验电压)故障点就会发生击穿现象。在击穿的瞬间，故障点被放电电弧短路，所以在故障点放电前后了就产生电压的跃变。由于介质击穿，其电离过程需要一定的时间，而弧光放电一般要持续数百微秒到几个毫秒，因此跃变
16、电压在放电期间就以波的形式在故障点和电缆端头之间来回反射。如果在电缆的端头(始端或终端)，把瞬间跃变电压及来回反射的波形记录下来，便可测量出电波来回反射的时间。再根据电波在电缆中的传播速度，就可以算出故障点到端头的距离。基于这个物理机理产生了闪络侧试法。图2-3 脉冲电压法按图2-3，接上电源后，实验变压器PT对电容C充电。当电压高到一定数值时，球间隙J被击穿，电容器C上的电压通过球间隙的短路电弧和电感L直接加到电缆的测量端。这个冲击电波沿电缆向故障点传播。只要电压的峰值足够大，故障点就会因电离而放电(注：因为欲使故障点闪络放电，不但需要足够高的电压，还需要一定的电压持续时间)。故障点放电所产
17、生的短路电弧使沿电缆送去的电压波反射回去。因此，电压波就在电缆端头和故障点之间来回反射。为了使反射波不至于被测试端并联的大电容C短路，在电缆和球间隙之间串接一个电感线圈L(几微享到几十微享)组成电感微分电路。因为电感对突跳电压有较大的阻抗，有了它，就可以借助于录波器观察到来回反射的电压波形。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬时脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试技术的重大进步。但脉冲电压法也有它的缺点，其缺点如下：1) 安全性差。仪器通过一个电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪
18、器损坏。2) 在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿。3) 在故障放电时，特别是进行冲闪法测试时，分压器藕合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。4.脉冲电流法脉冲电流法是在脉冲电压法的基础上发展起来的，它是通过线性电流耦合器测量电流脉冲信号，将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次所需时间来计算故障距离。脉冲电流法接线如图2-4所示。图2-4 脉冲电流法与脉冲电压法比较，脉冲电流法使用线性电
19、流耦合器，与高压回路无直接电气连接，这样对试验仪器和试验人员比较安全。线性电流耦合器产生的电流脉冲信号也比较容易分辨。所以相比脉冲电压法而言，该方法得到了更为广泛的应用。但是这种方法存在盲区，有时波形不够明显，需要靠人为判断，仪器误差较大。5.二次脉冲法二次脉冲法是最新发展的电缆故障预定位方法。特点是易操作、多功能，回波图形解释简单。原理是：由回波仪释放一个发射脉冲，在高阻或间歇性电缆故障点不能被反射，仪器将显示整个电缆长度的波形存储起来，此波形图叫“完好轨迹”。设备高压电容器放电，使电缆故障点发生闪络，故障点的电弧表现为阻值非常低的电阻。同时回波仪被触发送出第二个发射脉冲(低压脉冲)，这个加
20、在高压信号上的脉冲将从故障点反射。这样，带自动数据处理的回波仪存储故障点反射波形，并将完好轨迹和故障轨迹进行叠加，两条轨迹将有一个清楚的发散点。这个发散点就是故障点的反射波形点。二次脉冲法的优点是，可以避开故障点闪络时引起强烈的电磁干扰；低压脉冲宽度可以调节；较长线路也能记录到清晰的信号波形，提高测量精度。缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加；故障点维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲的控制有难度。6.欧姆法欧姆法是利用欧姆定律测试电阻的方法，通过向待测导线中通入已知大小的电流，根据测得的电压可以得到导线的电阻，再根据
21、线缆的电阻率可计算得到线缆的长度。该法不能检测电路的故障，只能用来检测线缆的长度，但该方法是以上几种方法中最简单的方法。该法的缺点是对于不同电阻率的导线计算公式发生变化，且如果导线不均匀对测量结果的影响较大。7.总结以上，介绍了目前存在的各种电缆故障测距原理，包括电桥法、低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法等、欧姆法，并给出了各种方法的优缺点。根据使用场合，待测电缆是连接有电雷管的的电缆，脉冲电压法、脉冲电流法和二次脉冲法等采用高压脉冲或脉冲电流的方案显然不适合。而电桥法又因为需采用高灵敏度的测量仪器等问题，会给测量使用造成一定的困难。低压脉冲法要求绝缘介质均匀，且适于测量的是类
22、似于断线的大电阻故障，对于接有电雷管的电缆也不大适合，并且该方法的设计难度远高于欧姆法。综上所述，本设计采用欧姆法测量线缆长度，并由系统自动将电阻换算为导线长度。由于待测线缆材质变化电阻和长度的换算系数必须随之更换，系统需具有标定功能，标定方法为使用系统测量长度已知的改材料线缆的电阻，之后输入线缆长度，系统可根据线缆的长度和测得阻值自动计算出换算系数，并存储至非易失存储器中。此外，由于使用环境的不同尤其是温度的变化，可能会引起设备测量值的温漂。因此，系统需能够同过对额定电阻的标定自动消除温漂。2.2.2定位方案本设计使用的定位方案采用GPS定位，可以方便的获得系统的GPS坐标。定位信息通过显示
23、装置将系统的坐标告知使用者。同时将坐标进行存储。系统在进行线路测量的同时记录测试点的GPS坐标，并同线缆的测量数据一桶存储。由GPS定位可以方便的进行系统导航，将目标点的坐标和系统的坐标做差即可的到目标点相对于系统的方向。但是，由于在野外缺乏明显的标志物，不适合使用地图导航。为方便使用者寻找目标，系统可显示一个指向目标的箭头，引导使用者目标的具体方向。在显示设备上绘制指向目标的箭头需要目标相对系统的方向。同时还需要系统相对于地理坐标系的方向。前者通过对系统和目标坐标点的计算可获得。后者需通过电子罗盘等设备获得。2.2.3存储方案在本设计中，需要进行存储的数据主要有系统的测量数据、系统定位数据和
24、系统标定数据。其中系统测量数据和定位数据应能够方便的读出值PC机上，以便进行数据处理。同时，目标坐标点的信息需要能够方便的在不同的测量系统间共享，方便使用者对坐标点的寻找。系统的标定信息是系统的重要数据，尤其是温漂系数的标定数据，如果丢失将导致测量结果的紊乱。因此，该类数据的存储需稳定可靠且不已丢失。根据上述分析，对于测量信息，可存储于系统外部非易失存储其中。本设计选用TF卡，TF卡是目前智能系统中常用的存储介质，因为其价格便宜与存储稳定而受到广大用户的欢迎，这也是本系统采用TF卡的原因之一。另外TF卡较Flash拔插方便，如果发生意外损坏TF替换十分方便，如果是Flash的话必须首先使用专业
25、工具将其从电路板上取下，使用者在没有专业技能的情况下基本不可能完成，同时也极大的影响到电路板的整体安全性与稳定性。此外，TF卡可以方便的在不同的设备上使用，是数据分享的快捷方法，也能够非常容易地将数据采集到PC机上。而对于标定系统应存储于系统内部自带的非易失存储其中。2.2.3人机交互方案一个智能美观的人机交互接口可以极大方便用户的操作，在本系统中为了方便用户对系统进行实时监测与控制，点阵式LCD显示屏加4X4矩阵键盘实现系统参数的修改与信息的动态显示。LCD显示器由于需要在野外使用，一般的透射式液晶屏在阳光下非常不便于使用，甚至显示内容完全无法看清楚。因此本设计选用半透半反式黑白点阵式液晶屏
26、ERC-1。该液晶屏分辨率为128*128，能够方便的显示字符和简单的黑白图案。2.3控制器选型根据系统的整体需求，MCU选用STM32系列的STM32F103xx，STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响。内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的A
27、DC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。 STM32F103xx系列内置SD卡接口和LCD接口，可以方便进行SD卡与LCD的开发，大大缩短开发周期。STM32F103xx系列工作于-40C至+105C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。同时此款CPU内部集成了上电复位(POR)/掉电复位(PDR)电路，该电路始终处于工作状态，保证系统在供电超过2V时工作；当VDD低于设定的阀值(VPOR/PDR)时
28、，置器件于复位状态，而不必使用外部复位电路。 器件中还有一个可编程电压监测器(PVD)，它监视VDD/VDDA供电并与阀值VPVD比较，当VDD低于或高于阀值VPVD时产生中断，中断处理程序可以发出警告信息或将微控制器转入安全模式。第三章 系统硬件设计3.1系统框图图中文字不应该比中文中的字号还大，要么调整图的大小，要么修改文字大小，你这个图太大了图3-1 硬件框图根据设计需求分析可知，整个系统主要包括前端数据采集、GPS信号处理、数据存储、人机交互和电子罗盘5个模块，系统的原理框图如图3-1所示。系统的工作流程为数据采集端将获得的电阻数据传输至主控MCU，然后同当前由GPS终端获得的位置信息
29、相互关联，将关联后的信息存放至存储介质中，并在液晶上实时显示。用户操作完成后可以通过USB接口将存储介质中的数据传输至PC机。电子罗盘用来获取系统相对于地理坐标系的偏转角度。3.2电路设计3.2.1MCU电路图3-2 MCU外围电路系统采用STM32f103VBT6作为主控MCU，只需要简单的电路即可使单片机正常工作。单片机拥有128kB的flash，外设资源丰富包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。图3-3 MCU及外
30、围电路系统采用STM32f103VBT6作为主控MCU，只需要简单的电路即可使单片机正常工作。单片机拥有128kB的flash，外设资源丰富包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。MCU模块包括：主芯片。时钟电路：由一个8MHz的晶振和一个32.768kHz的晶振及电容构成。为单片机提供系统时钟和实时时钟源。调试接口：由一组排阵和若干电阻构成。位单片机提供下载程序和在线调试的接口。启动项选择电路：由两个电阻构成。选择单片机
31、启动项，是单片机从片内Flash启动。复位电路：由按键、电阻和电容构成。负责系统的商店复位和手动复位。滤波电路：有四颗瓷片电容构成。负责主芯片的电源退偶。3.2.2电源管理电路图3-4 LTC3521电源管理电路主电源管理芯片采用凌力尔特公司的LTC3521，该器件兼有一个 1A 同步降压-升压型 DC/DC 转换器和两个 600mA 同步降压型 DC/DC 转换器以提供 3 个输出轨，效率可高达 95%。LTC3521 具 1.8V 至 5.5V 的输入范围，因此该器件与所有类型的 PC 板卡插槽、USB 和单节锂离子或双/三节碱性/镍镉/镍氢金属电池应用都兼容。LTC3521 的同步降压-
32、升压型通道所采用的拓扑在所有工作模式之间提供连续转换，从而非常适用于甚至在电池电压下降至低于输出时也必须保持恒定输出电压的应用。在很多情况下，这能增加多达 20% 的电池运行时间。其降压-升压型通道可以提供 1.8V 至 5.25V 的恒定输出电压，而每一个同步降压型通道则能够提供 0.6V 至 5.25V 的输出，从而使该器件适用于多种手持式应用。LTC3521 的恒定 1.1MHz 开关频率可实现低噪声工作，同时最大限度地减小了外部组件的尺寸。纤巧外部组件结合 4mm x 4mm QFN-24 或 TSSOP-20E 封装，为空间受限应用提供了一种占板面积紧凑的解决方案。LTC3521 的
33、同步降压-升压型通道提供连续传导工作，以在宽输入电压范围内最大限度地提高效率，同时最大限度地降低开关噪声。降压型转换器采用电流模式控制和同步整流以确保最佳效率。该器件的可选突发模式 (Burst Mode) 工作仅需要 30uA 静态电流，且停机电流低于 2uA，从而进一步延长了电池运行时间。就需要低噪声的应用而言，LTC3521 可以配置为以固定频率 PWM 模式运行，这可降低噪声和潜在的 RF 干扰。在本设计中，芯片的同步降压-升压型DC/DC转换器为主芯片、电子罗盘和液晶屏背光供电。两个同步降压型DC/DC转换器为GPS模块、LCD显示、SD卡及测量模块供电。待机状态时，可以将除主芯片外
34、的其他电源关闭，以节省电能，延长电池使用寿命。输出电压为同步降压-升压型DC/DC转换器输出5V电压，两个同步降压型DC/DC转换器输出3.3V电压。图3-5 双电源转换电路系统的线路测量模块正常工作需要双电源，在设计中采用凌力尔特公司的LT3471作为双电源转换芯片。利用lt3471将3.3V 单点源转换为/5V的双电源以提供给测量系统正常工作使用。在双电源的输出端增加指示灯以方便调试。图3-6 低压差线性稳压电路通过低压差线性稳压芯片LM1117给单片机和电子罗盘提供3.3V的稳定工作电压。由于开关电源输出的电流纹波较大，不利于单片机和电子罗盘的稳定工作，采用LM1117对5V电压进行降压
35、稳压可以得到纹波较小的稳定电源。从而保证单片机和电子罗盘的稳定工作。3.2.3电阻测量电路图3-7 电阻测量电路本电路首先采用OP07构成微电流源输出1mA左右的小电流，小电流流过待测物时产生压降，压降经过高精度仪用放大器AD620放大后输出至单片机进行AD采集。Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于
36、高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 V)和低失调漂移(最大0.6 V/C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。由于其输入级采用Supereta处理，因
37、此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声为0.28 V峰峰值，输入电流噪声为0.1 pA/ Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15 s，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。在该电路中，首先采用两个电阻对5V的电压进行分压，得到4V左右的基准电压。之后，基准电压经过OP07和9012的跟随使9012的发射极电压恒定在4V左右。由于电源和发射极之间接有1K的定值电阻，射极的的电流将恒定在1mA。因此，在三极管的集电极也就
38、是测量接口将得到约1mA的恒定电流。当待测电缆接在测量头上时，1mA的电流流过电缆，根据欧姆定律可知测量头的电极间将产生压降，测量该压降即可得出导线的阻值。STM32的AD为14位，分辨率约为0.8V，直接测量电极两端的电压得到的值精度低于1欧姆。为了提高系统的测量精度，利用仪用放大器将电压放大10倍以上再用AD采集，则可以将精度提高至0.1欧姆。继续提高放大倍数，在一定程度上可以进一步提高测量精度，但是系统量程则会同比下降。由于采用1mA的测量电流，线缆的最大值不超过100欧姆，STM32采集范围为03.3V可计算的出最佳放大倍数在30倍左右。为减小干扰和噪声，测量电路中添加滤波电路滤除干扰
39、。同时采用电感将模拟地及数字地进行隔离。从而提高精度。为保证系统测量安全，在输出端串联接入小电流自恢复保险管，将电流限制在50mA以下。由于测量系统工作在+/-5V双电源下，而单片机工作在3.3V电源下，输出部分需添加限流电阻进行保护。3.2.4GPS接口电路图3-8 GPS接口电路本设计中的GPS模块采用ZYM_G5020_1。ZYM_G5020_1是高性能、低功耗、小尺寸并且非常容易整合的GPS模块，是为OEM模块的广泛应用而设计的。该GPS模块一次性追踪16颗卫星，能够快速搜星，每秒更新一次定位数据。ZYM_G5020_1是一款带有TCX0设计的高性能产品，采用UBL0X Antaris
40、5计数设计。提供高达-160dBm的跟踪灵敏度，可以捕捉极微弱的卫星信号，实现恶劣环境下的强捕捉能力。该模块使用USB或USRT通讯，在本设计中，采用USART作为GPS的通讯接口。由于模块上电使能后会自动发送串口数据，并不需要进行过多配置，因此在本设计中除电源外仅接出一条数据线和一条使能控制线。模块工作时耗电量很大，不使用时通过使能控制将模块失能，以节省电量，延长电池使用时间。3.2.5电子罗盘电路图3-9 磁通传感器电路本设计中采用霍尼韦尔的双周磁通传感器HMC1052作为电子罗盘模块。HMC1052是单芯片上的高性能磁阻传感器，包括两个正交的传感器，每只磁阻传感器都配置成一个四个元件的惠
41、斯通电桥，将磁场转化为不同的输出电压。这些传感器能传感低至120微高斯的磁场，灵敏度可达到1mV/V/高斯。测量范围可达到6高斯。由于低磁场十分微弱，传感器的输出电压很小，用单片机的AD采集很困难，需要放大。在本设计中，使用运放MCP602构成减法电路，将磁阻传感器构成的惠斯通电桥的两个桥臂的输出电压差值放大100倍输出。输出值由单片机的12位AD采集。以提高电子罗盘的测量精度。3.2.6液晶显示模块图3-10 LCD液晶屏电路液晶屏采用3.3V供电，由于液晶屏耗电量较大，单独利用电源管理芯片的一路降压型DC/DC转换器为液晶屏供电，以便关闭液晶屏以节省点量。液晶屏的背光在外界光线较强时起到的
42、作用有限，可以在外界光线较强时关闭液晶背光。在液晶背光电源电路上添加三极管做开关控制背光。为增加三极管的驱动能力，将两个三极管构成符合结构增大电流驱动能力。由于三极管本身的分压，将导致液晶背光得不到足够的3.3V电压，因此，液晶屏背光采用5V电源供电。为防止电压过高烧毁发光器件，在线路上串联限流电阻保护液晶屏背光发光器件。本设计中使用STM32的PE口作为液晶屏接口电路。其中PE0PE7作为八位液晶数据端口，PE8PE13则作为功能控制端口。3.2.7 TF卡电存储路图3-11 TF卡存储电路由于TF卡支持SPI读写，本设计利用STM32的SPI接口作为TF卡的读写口。为方便使用者取出TF卡内
43、存储的数据，本设计将USB读卡器电路集成在系统内部。本设计中采用GL827作为USB通讯控制芯片。GL827是USB2.0接口的Flash存储器读取控制器。支持USB2.0高速通讯。可以支持SD卡、SDHC、Mini SD卡、Micro SD卡、T-Flash、MMC卡、RS MMC、记忆棒、高速记忆棒、TF卡等多种cu7nchu媒介。GL827与MCU不能同时对TF卡进行读写，设计中对二者进行电源隔离，即MCU工作时关闭GL827的电源，而使用USB读取TF卡时将MCU关闭。3.2.8矩阵键盘电路本设计中需要进行数字输入和菜单选择等功能，根据需求键盘包括一组标准数字键盘（09十个数字键、*键
44、和#键）、一组方向键（上下左右）、功能键（确定、返回）和电源控制键，共19个按键。因此，设计采用4*5的矩阵键盘，该键盘可以扫描20个按键，支持组合键。操作简单，功能稳定。单片机的PC0PC8作为键盘的接口其中PC0PC3作为键值检测脚，PC4PC8作为扫描信号输出脚。为保证键值的准确，在PC0PC4上接10K的上拉电阻。图3-12 矩阵键盘电路图3-13 键盘分布3.2.9键盘背光控制电路图3-13 键盘背光电路系统在夜晚或光线较差的条件下使用时，按键不容易看清楚。为方便使用者，在键盘上按键的周围增加键盘背光电路为键盘照明。背光电路使用贴片LED作为光源，采用复合结构的三极管作为背光的开关控
45、制器件。第四章 系统软件设计4.1整体功能框架图4-1 整体功能框图系统的基本功能主要有线路测量和GPS定位两项，而电阻测量又需要现场标定功能来配合，GPS定位又会衍生出定点指向和电子罗盘两项功能。每项功能都需要在显示系统上进行显示，并且需要键盘进行人机交互。测量和定位过的数据存储至TF卡中。功能中需要的某些数据需从TF卡中读取。系统还需完成电源管理功能，以便降低系统功耗，延长使用时间。需要完成的功能有：1、 电阻测量；2、 线长标定；3、 GPS定位；4、 定点指向；5、 电子罗盘；6、 数据及图案显示；7、 数据存储及读取；8、 按键输入；9、 电源管理。4.2系统功能软件设计4.2.1电
46、阻测量电阻测量需要将测量电路调理后的电压信号通过AD采集后转换为电阻，再通过换算得到所测电缆的长度。STM32f103拥有两个12位AD，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。在本设计中需采集两路以上的AD信号，因此采用扫描模式多通道复用。在多路AD复用时还用到了STM32的DMA功能。DMA是Direct Memory Access（直接内存存取）的缩写，他允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于CPU的大量中断负载，传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成。能够极大的节省CPU资源。STM32灵活的7路通用DMA
47、可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输；DMA控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。每个通道都有专门的硬件DMA请求逻辑，同时可以由软件触发每个通道；传输的长度、传输的源地址和目标地址都可以通过软件单独设置。图4-2 电阻测量流程图在程序中，需要在内存中开辟一段空间作为DMA传输的目标地址，同时将ADC1的外设地址设置为DMA的源地址。将DMA的传输目标地址设置为循环自动增加，则在目标存储区根据地址的增量即可的到不同的复用通路的AD值。采集后的AD由于在采集的时刻可能会受到噪声和外界杂波的干扰，采集到的信号是一个离散的量。单独一次采集到的AD值由于其离散性是不能直接使用的，所以要对采集到的值进行数字滤波。在本设计中采用均值滤波，每次采集一千个值取平均值。滤波后的值经过简单的转换即可得到阻值。阻值存储到全局变量中，以便其他函数调用。4.2.2线长标定测得电缆电阻后需要通过换算得出电缆长度，电缆的长度等于导线电阻与导线电阻率的乘