arm和fpga的红外成像系统及测温算法实现最终

1、分类号密级重庆邮电大学基于ARM 和 FPGA 的红外成像系统题目及测温算法实现The implemenion of the ARM and FPGA英文题目based infrared imaging system andtemperature measurement algorithm吴 伟教授指导教师学科专业通信与信息系统提交日期答辩日期评阅人答辩年月日独 创 性本人所呈交的是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含其他人已经或撰写过的研究成果，也不包含为获得 重庆邮电大学 或其他教育机构的学位或而使用过的材料。与我一同工作的

2、对本做的任何贡已在中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：签字日期：年月日使用书本作者完全了解重庆邮电大学有关保留、使用的规定，保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和磁盘，允许被查阅和借阅。本人重庆邮电大学可以将的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存、汇编学位论文。（的在后适用本书）作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月摘要近年来，随着党和国家对科技创新的支持力度不断加大，电力系统科技程度不断深化，智能坚强电网成为电网的目标。由于国民经济高速增长，人们对物质、精神文化生活追求不断提高，对电力的依赖程度越来越大高，导致社会用电总量急剧增加，电力设备经常

3、以超负荷状态进行工作。通过对当前变电站事故的分析发现，电力设备温度过高是导致事故的主要原因，解决实时获取电力设备关键点温度是构建智能电网的关键，本文对该问题展开论述，提出一种实时反映电力设备温度状态的测温方案。本文设计目的是获取变电站内电力设备的运行状况，主要方式是通过红外探测器获取设备关键节点温度信息，工作环境为变电站设备周围。首先对课题的研究背景和当前智能电网技术的发展现状进行阐述，分析电力的必要性和重要性。通过对现有测温方案分析对比，选取适合本项目的基于红外成像技术的测温方案。根据系统需求分析，提出基于 ARM+FPGA 的红外成像终端系统组建方案。然后对红外成像系统框架进行介绍，重点对

4、系统终端的整体设计进行详细介绍。根据系统需求对硬件的进行选型、系统、数据传输格式选型等进行介绍。接口模块和终端硬件部分主要由FPGA 模块、ARM 模块、ARM 与FPGA辅助模块；终端系统设计包括驱动程序和应用程序设计，系统主要完成红外图像、处理、上传等功能，最终实现电力设备节点的测温功能。最后通过实验对硬件系统进行电源模块、时钟模块和基本功能模块测试，在搭建好的测试上进行系统各部分功能测试。实验结果表明：本文组建的基于 ARM 和FPGA 的红外系统运行稳定，并且基本实现对电力设备节点的测温功能，但测温精度还有待提高。关键字：电力设备、红外技术、ARM、FPGAAbstractIn rec

5、ent years, with the strengthening of the emphasis on scientifictechnological innovation from the party and the country, the reform degree of theand erersystem technology deepens, smart stronger grides theof thegrid reform. As the raimprovement of the national economy and peoples pursuit ofmaterial a

6、nd spiritual culture life, the level of dependence on electricity is higher,leading to a sharp increasehe total amount of sol electricer consumption, theelectrical equipment often work in the overloaded se. Through theysis of thecurrent subsion accident, the extreme high temperature of the electrica

7、l equipment isthe leading cause of accidents. Solving the real-time acs to the temperature of keypos of theer equipment is key to build a smart grid. Therefore,his thesis, thisproblem was discussed. And a real-time temperature measurement scheme reflecting thetemperature se of theThe design purer eq

8、uipment was proof this thesis is to obtaed.ehe operating condition of theanner is obtaining the equipmentsequipmenthe monitoring subsion; the makey nodes temperature information through infrared detector; the working environment is around the subsion equipment.ly,his thesis, the research background

9、and current development sus ofsmart grid technology were elaborated, and the nesity and importance ofermonitoring wereyzed. Through theysis and comparison of theexisting schemeysis oftemperature measurement schemes, the suitable temperature measurementbased on the infrared imaging technology was sel

10、ected. According to thesystem requirements, the ARM+FPGA based infrared imaging terminal system projectwas proed.Next, the infrared imaging monitoring system framework wasroduced, focusingon the expounding of overall design of the monitoring terminal. According to thesystem demandysis, itroduthe sel

11、ection of chip hardware, software system,and daransmisformat. The monitoring terminal hardware system mainly consistsof FPGA module,ARM module, ARM and FPGAerface module, and peripheralauxiliary module. The design of monitoring terminal software system includes driversand applications, implementing

12、the acquisition, prosing, and uploading and otherfeatures of the infrared images, and ultimay the temperature measurement function.Finally, through laboratory platform, theer module, clock module and basicfunction modules of the hardware system were tested. Each part of the system softwarewas tested

13、 based on the software testing platform. The experimental results showed the ARM and FPGA based infrared monitoring system established in this thesis stably, and basically realized the temperature measurement function of theequipment nodes, but the temperature measurement accuracy is to be improved.

14、t:ran erKeywords: electrical equipment monitoring, infrared technology, ARM, FPGA目录摘要IAbstractIII IX XIII插图附表缩略语XV绪论1第一章1.11.21.31.4电力2.12.22.32.4课题研究背景1课题研究现状1本文主要研究内容3结构安排4系统中方案分析5电力的必要性分析5电力设备主要故障分析6电力系统介绍7现有电力设备温度监测方案对比8第二章2.4.12.4.22.4.32.4.42.4.5基于热电阻技术的测温方案9基于光纤测温技术的测温方案9基于声表面波技术的测温方案10基于红外成像

15、技术的测温方案11四种测温方案比较122.5本章小结13红外成像测温系统总体设计15第三章3.13.23.3红外成像测温系统功能需求分析15红外成像测温系统架构17红外成像终端系统方案对比18SOPC 系统方案18DSP+FPGA 系统方案19ARM+FPGA 系统方案19系统方案对比20红外成像测温终端总体设计21红外成像测温系统终端硬件设计213.43.53.5.1 硬件方案设计213.5.2选型及简介223.6 红外成像测温系统设计253.6.13.6.23.6.3系统框架25操作系统选型26数据传输方式与协议选型273.6 本章小结29红外成像测温系统终端硬件设计314.1 FPGA

16、系统硬件设计31第四章4.1.1面阵列设计314.1.2 A/D 转换设计33ARM 系统硬件设计35S3C2440A 基本电路设计35以太网信号处理电路设计38温湿度传感器电路设计39ARM 与FPGA 硬件接口设计40电源设计41PCB 设计42本章小结44设计45的搭建45第五章红外成像测温系统5.1开发建立交叉编译环境45定制Bootloader45Linux 内核定制47根文件系统47驱动程序设计48数据接口驱动程序设计49传感器驱动程序设计55应用程序设计56红外测温实现585.25.35.45.4.15.4.25.4.3盲元补偿58非均匀性校正60温度测量625.5本章小结64第

17、六章 红外成像测温系统性能测试与分析656.1硬件功能验证656.1.1 电源及时测试656.1.2 UFPA 模块测试666.1.3硬件基本功能验证67功能验证70验证70测温实现验证716.26.2.16.2.26.36.4系统联调测温测试73本章小结74第七章 总结与展望75全文总结75对未来工作的展望75致谢77参考文献79附录A 作者在期间的成果83附录B PCB 电路图85插图第二章图 2. 1图 2. 2图 2. 3图 2. 4图 2. 5图 2. 6第三章图 3. 1电力设备故障隐患的接头和触头处6一种智能电网系统方案拓扑图8热电阻测温系统框图9分布式光纤温度监测系统组成框图1

18、0声表面波测温技术组成框图11红外测温系统组成框图12测温系统总体架构17图 3. 2 SOPC 系统方案18图 3. 3 DSP+FPGA 系统方案19图 3. 4 ARM+FPGA 系统方案20图 3. 5终端总体设计21图 3. 6 红外成像处理系统硬件22图 3. 7 IS61LV51216结构原理图24图 3. 8第四章系统框架26图 4. 1 FPGA 模块系统结构框图31图 4. 2 探测器原理框图32图 4. 3 UFPA 与FPGA 的连接图32图 4. 4 UFPA 驱动时序波形图33图 4. 5 串行控制接口时序图33图 4. 6 VSP2562 与FPGA 连接图34图

19、 4. 7 ARM 系统框图35图 4. 8 S3C2440A 与SDRAM 接口电路设计图36图 4. 9 系统时钟电路图37图 4. 10 ARM 系统复位电路图37图 4. 11 UART 电路设计图38图 4. 12 以太网与主控连接电路39图 4. 13 传感器电路连接图39图 4. 14 ARM 与FPGA 接口设计图40图 4. 15 3.3V 电源电路图42图 4. 16 1.25V 电源电路图42图 4. 17 PCB 板层结构图42图 4. 18 PCB 板布局图43图 4. 19 SDRAM 蛇形走线图43图 4. 20 红外第五章系统成品44图 5. 1 根文件系统目录

20、结构图48图 5. 2 ARM 控制SRAM 工作流程49图 5. 3 S3C2440A空间地址分配53图 5. 4 SRAM 控制时序图53图 5. 5 传感器控制时序图56图 5. 6 应用程序流程56图 5. 7 UDP 通信的程序设计流程图57图 5. 8图 5. 9图 5. 10图 5. 11图 5. 12图 5. 13图 5. 14图 5. 15图 5. 16第六章图 6. 1图 6. 2图 6. 3图 6. 4红外信号处理流程58盲元响应特性曲线59盲元检测实现流程图59盲元补偿实现60多点校的响应曲线61非均匀性校正表的建立62非均匀性校正的实现流程图62温度测量实验流程图63

21、测温实现过程64硬件电路测试板65时测量结果66主时钟、积分信号和复位信号仿真图67红外面阵列初始化仿真图67图 6. 5 JTAG 测试连接图67图 6. 6 目标板与PC 连接成功68图 6. 7 Flash 出错界面68图 6. 8 Flash 测试界面69图 6. 9 SDRAM 读写操作69图 6. 10 以太网模块错误界面70图 6. 11移植与测试示意图70图 6. 12 ARM 模块启动打印信息71图 6. 13图 6. 14图 6. 15盲元补偿结果对比图72非均匀校正结果对比图73系统联调图73附表第二章表 2. 1第三章表 3. 1表 3. 2表 3. 3三种电力测温方案

22、的对比12系统整体功能需求分析15系统部分性能指标16红外成像终端系统方案性能对比20表 3. 4 ProASIC3 系列特性23表 3. 5表 3. 6表 3. 7第四章操作系统比较27数据传输方式对比27网络传输协议对比28表 4. 1 VSP2562 各个引脚功能34表 4. 2 JTAG 引脚说明38表 4. 3 器件功耗表41第六章表 6. 1 电源模块测量结果66表 6. 2 Flash地址分配表71表 6. 3 不同方法获取温度信息74缩略语缩写 PLC FPGA PCBA/D英文全称Programmable Logic Controller Field Programmable

23、 Gate Array中文全称可编程逻辑控制器现场可编程门阵列印刷电路板模数转换Pred Circuit boardDigital toog Converter，A/D同步动态随机器用户数据报协议光时域反射计图形阵列SDRAMSynchronous Dynamic Random Acs MemoryUDP OTDR VGA UFPA TEC PC DMAPLLUser DatagrOptical TimerotocolReflectometerGraphics Array Uncooled Focal Plane Arrays ThermoElectric Cooleral Computer非

24、制冷面阵列热电冷却器个人计算机直接 器锁相环互补金属氧化物半导体器件高级加密标准精简指令集Direct Memory AcPhase Locking LoopsCMOSComplementary Metal Oxide SemiconductorAES RISCSRAMMCUAdvanced Encryption StandardReduced Instruction Set ComputerSic RAM静态随机微控制器器Micro Controller Unit通用异步收发传输器GNU 编译器集合主时钟积分信号方型扁平式封装 通用异步收发传输器联合测试工作组主时钟次数电荷耦合元件球栅阵列U

25、ARTUniversal Asynchronous Reciver Trans-mitterGCCMCGNU Compiler Collection Master Clockegration PhasePlastic Quad Flat PackageQFPUARTUniversal Asynchronous Reciver Trans-mitterJTAG TMC CCDBGAJoTest Action GroupTime Master Clock Charge-coupled DeviceBall Grid ArrayCRCFIFOCyclic Redundancy Check循环冗余码校

26、验先入先出队列速集成电路硬件描述语言InputOutputVery-High-Speedegrated CircuirdwareVHDLDescription Language第一章绪论1.1 课题研究背景科技迅猛发展的今天，许多行业都力、创造力是党和国家的重要部署之着科技的，进一步解放和发展生产三中全会对全面深化作出部署，这也影响着国家能源部门和电力行业的创新。电力行业深入贯彻党的三中全会精神，把握时代特性以创新作为主要航标，推动我国能源安全发展、清洁发展、环保发展、友好发展。电力部门在新一轮科技创新中把握电力行业关键点，只有在大浪潮中把握机遇、抢占先机，才能赢得最终的胜利，才能推动能源电力

27、工业健康可持续科学发展，为全面建成小康社会，实现民族的伟大复兴1。随着电力事业的快速发展，党和国家对电力民生工程的重视，电力系统智能化水平不断提高。随着家用电器的增多，高耗能企业的增加，社会整体用电急剧上升，人们对电的重视不断，对电的依赖也越来越大，这也给电力部门带来极大五”国家，只有不断提高电网规模等级、智能化水平才能适应社会需求。“十二性新兴产业发展规划和国民经济和社会发展“十二五”规划纲要中为智能电网的发展做出重要规划和部署1。电力部门将从建设特高压传输线路、提高能源转化效率、开发新型能源等降低损耗，提高能源利用率。变电站在传输过程中起到中转作用，其重要性显而易见，必须提高传输线路的安全

28、可靠。并且社会用电的增加导致变电站超负荷运行，这将对变电站内各种电气设备极大伤亡、，稍有不慎就会因为电力设备的温度上升火灾，容易造成损失和环境污染，导致供电地区的大面积停电，引起一系列重、特大事故的发生。而且变电站内电力设备被偷盗的现象时常发生，不仅造成国家损失，也对电力设备的安全运行，所以电力部门对变电站的问题变得越来越重要。急需一种性价比高、能实时防范事故发生的管理系统，协助变电站管理使电力事故降低到最小。1.2 课题研究现状我国对电力技术的研究和应用起步较晚，但伴随人们日常生活对电力依赖越来越大，电力设备的安全运行受到工作得到迅速发展。据不完全统计，从事电力和电力部门的高度重视，电网改造

29、设备生产和研发的己有 100受理的关于自动抄表系统的专利己有近 200 项。余家，国家知识我国电力于 20 世纪 50 年代，那时主要采用模拟技术方式，对设备的监测和控制是相互独立分开的，监测系统中电子元器件主要采用电子管、继电器、步进式选线器等，工作速度低，容积率小，成本高，可靠性差。20 世纪 60 年代，采用无触点式的数字综合运动装置，器件以半导体元器件为主，采用数字式技术将遥测、遥信、得到很大提高，但装置由布线逻辑方式、遥调综合于一体，工作性能相比以前，电路难修改，功能和容量受到极大限制。70 年代，在之前设备基础之上发展研制可编程装置。80 年代末，计算机的发展为技术提供强有力的保证

30、，1987 年，机电工程系研制的我国第一个综合自动化变电站系统在山东威海望岛变电站成功运行2。进入科技迅猛发展的 21 世纪，计算机技术的普及、通信技术的多样性、嵌入式技术的深入开发和人工智能化技术的发展，智能电力一些厂家生产的设备得到广泛应用。如国电系统得到迅猛发展，的 NS2000系统，该系统汇集了国电、保护、四方保护、上继 ARAVA 等厂家的测控与保护装置，通过工业交换机实现全站所有保护装置实现以太网接入和综合自动化控制，已成功运用在特高压晋东南变电站 500KV 线路段。惠安系统控制有限公司生产的易于控制性、通m 2000 系列产品，具有完全基于网络系统、控制智能化、口多样性等优点3

31、。国外变电站智能化研究比中国早 10 年左右，1975 年关西电子公司和三菱电气研制的变电站数字控制系统S-1。1985 年西门子公司投运第一套分散式变电站自动化系统LSA768，该系统具有远控四遥功能，能实现对过流负荷保护、距离保护、变压器差动保护、主动和发保护等。ABB 公司生产的自动化变电站系统适用于低压和高压两种模式，分为段级和站级，段级完成对设备的保护、控制、监视等功能，实现人机交互，管理计算机和与远端计算机通信4。德国AEG 公司的 ILS 自动化变电站（Programmable Logic Controll系统，控制部分采用先进的可编程逻辑控LC）制器，站级主机采用MUUBUS-

32、n 技术。GE 公司的变电站自动化系统实现数字化控制与传输，数字式保护和线路控制水平都走在世界前端。目前变电站使用的电力系统还存在许多，比如不同厂家接入网数据接口未实现标准化，兼容性不好，设备工作性质单一，安装需要大量的人力和物力，数据不比如大雾天气、有效汇总，不能对现场进行实时，在特殊环境下天气、大风干扰天气、漆黑的夜晚无法全面了解变电站的实际情况，制约着智能电网的发展。新型智能电力系统解决方案要求数据接口实现标准化，解决不力设备厂商之间接口的一致性；智能电网系统实现每个变电站到中心的网络连接；控制；完成实时视实现中心系统对变电站自动化系统联动，对设备进行频功能；实现对系统云台的控制、现场环

33、境参数、机房空调和风机的控制、门禁安保和消防系统的控制等功能。电力数据多样性方向综合发展。向智能化、1.3 本文主要研究内容本课题提出一种基于 ARM 和FPGA 的红外热成像测温系统。方案硬件设备由基于非制冷红外热像仪和可见光图像处理、红外测温及自动机等；系统包括红外成像实现、。将系统设备安装在等与之相关的电力设备的关键节点处，通过红外测温仪对设备温度进行监测，实时反应监测设备的运行情况，如出现安全隐患及时将该情况通报给技术。系统通过对前方云台系统的控制改变监测点，能获取更大的变电站内外情况，防止人为对电力设备的破坏。范围，结合可见光获取本系统的设计涉及很多技术，包括技术、图像处理技术、技术

34、、数据传输协议技术等。为提高项目整体研发效率，在系统设计时充分考虑系统所具备的基础功能、覆盖性、实时性、设计成本性等，通过四个阶段进行系统设计：方案论证、方案设计、方案实现、系统测试。方案论证阶段通过查阅与本课题相关的资料验证方案的可行性；方案设计中提出需求分析，对各个功能模块进行设计；方案实现中将各个模块根据设计进行具体实现；系统测试中先对各个模块进行单独测试，再将各个模块连接组合进行系统联调。为系统更加稳定可靠，在设计时哪个阶段如出现问题需对前一阶段的设计进行述，本方案主要研究内容包括以下几个步骤：修改。综上所 首先针对目前变电站系统中对电力设备存在的弊端进行调研，得知问题的根源，确定本课

35、题研究的意义；然后对构建系统时用到的常见技术方案进行对比；最后确定系统需求分析。 根据系统需求分析，按功能实现进行分模块设计，确定具体实施的方案，完成各个模块之间的传输协议选型，确立最终系统方案设计。 按照功能模块设计图，完成硬原理图设计和印刷电路板制作（PrBoard，PCB）。ed Circuit技术、图像处理技术和 Linux 驱动开发程 深入学习红外成像技术、序相关知识，完成 ARM 最小系统、可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）最小系统的组建，以及电力系统中驱动程序和应用程序的开发设计。 完成各个模块的单独调试，验证准确无误后再将各个模

36、块进行组建进行系统联调。1.4结构安排本文针对目前电网系统中存在的一些突出问题进行分析，提出整个系统的设计方案，重点对进行介绍，提出一种基于红外热成像技术的电力设备测的章节安排如下：温系统。本第一章：绪论：首先通过课题研究背景介绍，突出本文研究意义；然后从国内外电力技术的发展对比，我国电力技术处于蓬勃发展的阶段，相关技术有待完善；最后对本文研究的主要内容进行介绍，对行安排。的结构和各个章节进第二章：电力系统中方案分析：首先通过电力事故实例突出智能电网系统的必要性和重要性，对电力系统进行总体设计；然后对诱发事故的原因进行分析，电力设备关键点温度过高为导致事故主导原因；最后针对于本文重点介绍的电力

37、设备温度系统进行方案论证，选取适合于项目的红外成像系统。第三章：红外成像测温系统总体设计：首先根据红外成像需求分析，设计系统整体框架；然后在 4 个常用的终端系统方案中选取基于 ARM+FPGA 的设计方案；最后针对该终端系统的硬件和进行总体设计，根据系统需求对主控、操作系统、传输方式、传输协议进行选取。第四章：红外成像测温系统终端硬件设计：主要对组建系统的三大硬件模块进行分析设计。对 FPGA 系统中的面阵列和模数转换（Digital toogConverter，A/D）电路进行介绍；对 ARM 最小系统中 Flash 电路、同步动态随机器（Synchronous Dynamic Rando

38、m Acs Memory，SDRAM）电路、电路进行介绍；对FPGA 和ARM 两个模块的连接部分进行分析设计。第五章：红外成像测温系统设计：主要从驱动层和应用层进行分别设计。驱动层主要对的搭建、驱动程序的开发进行详细设计；应用层主要介绍基于用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的 Socket 编程和测温算法的具体实现步骤进行介绍。第六章：红外成像测温系统性能测试与分析：主要完成对红外系统的测试，首先分别对硬件系统和系统测试进行搭建；然后对系统中的各项性能参数进试；最后进行系统联调。第七章：总结与展望：对全文所做工作进行总结并对后续工作进行展望。第二章 电力系

39、统中方案分析2.1 电力的必要性分析智能电力系统是创新大背景下科技时代的产物，随着国家对能源部门的重视，电力系统管理体制在不断创新，变电站科技化水平在不断，智能自动化控制技术已普遍使用，很多变电站都变为无人看守。为了确保变电站高效、稳定的工作，变电站系统的搭建显得尤为重要。近年电网事故频频发生，尤其是变电站事故，对人们的生活带来极大困扰，并造成了巨大经济损失。国内外都发生过类似的事故，2012 年 3 月 12 日晚，波一所变电站由于设备故障引起火灾，导致当地陷入一片，停电地区的饭店、酒吧及部分民居都停业，地铁列车经过停电区过站不停，高架路的出口匝道全部封闭。此外，部分交通信号灯失灵，使得当地

40、交通陷入一团，初步估计，大约有2 万户断电。2012 年 12 月 7 日，大阪市中心多幢建筑发生临时停电，其中包括大阪大楼、大阪证劵交易所在大楼等，经停电原因是关西电力公司一变电站配电盘由于老化被烧损。2013 年 5 月 21 日晚，南部发生大规模停电，该地区的、也拉、普吉岛等 14 府停电长达 45 分钟左右，停电原因是中部地区的 500 千伏电缆传输系统因设备温度过高断开所致，这是该国有最大一次停电事故7。近年国内电力事故也时常发生，2013 年 2 月 15 日，以来的220 千伏变电站因母联C 相故障，导致 220 千伏变电站及 110 千伏石湾站失压，损失负荷 4.92 万千瓦，

41、占市总负荷的 8.89%，影响用户 8.67 万户，占全市用户的 10.67%。2013 年 6 月 5 日，市中心突然发生大面积停电事故，导致地铁 2 号线受影响停运、交通红绿灯失效、电梯停运等事故，停电从 8 点 10 分开始，持续大约一个，停电期间，消防部门接警 50 多起。2013 年 7 月 10 日，浙能燃机发电厂 8 号机组燃机超温，导致局部设备部分宁波镇海联合发电动、静叶片损坏，初步估计设备经济损失约 500 万元6。这些事故给人们的日常生活带来极大困恼，也造成经济损失。但是部分电力事故是可以避免的，只要及时发现事故的发源点，控制事态的蔓延，即可避免重大事故的发生。但是传统的安

42、全检测方法不仅存在很多率低下，不能将设备关键点的工作情况实时反映给检测，而且工作效率和准确，人为经验论经常导致设备无法正常工作，造成经济损失，严重时损害整个电力系统，甚至对人身安全产生危害。如果采取有效的检测方法，萌芽期将危害源点及时控制，可使设备的准确获取设备工作情况，在事故的更加方便，费用减少 25%50%，事故的发生机率减少 85%，具有客观的经济效益8。2.2 电力设备主要故障分析构建智能电网的基础是电力设备的可靠性运行，据电力相关部门统计表明，电力设备事故易发点也是本文监测的重点一般在各个设备的触头和接头9。如图 2.1所示的位置。图 2. 1 电力设备故障隐患的接头和触头处电力设备

43、事故易发点主要发生在三个地方：开关柜动触头、电缆接头、变压器接头10。 开关柜动触头故障开关柜是电力传输系统中重要设备，在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的主要由断路器、开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等组成。由于开关长时间靠压力接触，会出现弹簧压力，滚轮压力不均，使开关连接处接触面积减小，引起分接开关在运行中发热损坏，并且长时间的超负荷，电力设备承载电流过大，接触头老化，这将导致设备长时间发热、接触点温度急剧上升，最终导致设备的损害。 电缆接头故障电缆接头的故障多为接触面处理不佳，接线端或连接管在生产和保养过程中由于条件影

44、响常有杂质、毛刺和氧化层的存在，加上设备运行时间过长，负荷量大等原因引起接头发热，导致设备整个绝缘介质被热击穿，最终设备温度升高，该现象的恶性循环发生将使温度上升的状况急剧 变压器接头故障，甚至发生火灾。变压器长期超负荷运行和设备散热能力差，导致变压器设备温度升高使传输线绝缘老化脆裂，抗电强度降低；在雷雨天气下，防雷设施的不完善导致器件绝缘击穿；变压器铁芯由硅钢片叠装而成，硅钢片之间有绝缘漆膜；硅钢片紧固不好，漆膜破坏产生涡流而发生局部过热11；接头连接线由于封闭不严进水，引起绝缘受潮，或变压器严重缺油使油箱内引线在空气中，造成闪络导致温度升高。以上问题如不及时解决将产生严重。综上所述，电力设

45、备故障一般由于设备长期超负荷运行接头温度升高，但是不同设备接头的制作材料对温度的反应程度不同，在进行温度监测是应对照设备元器件材料所允许的最高温度。为了有效避免变电站事故的发生，研发一套能实时测量电力设备关键节点温度和获取电力系统关键参数的系统迫在眉睫。2.3 电力系统介绍单元、传输通讯设备、计算机为基本工具12。数据电力系统是以单元通过传感器将环境参数情况转换为电信号；传输通讯设备将数据信息通过网络传输系统传输到计算机控制系统；计算机对上传的各项数据进行分析，如有异常及时触发系统通告，将事故解决在萌发期，有效避免事故的发生。也可通过台对前端设备进行控制，使范围和监测参数扩大化，降低其运行成本

46、，提高生产效率。因此对系统提出相应的要求，即必须具有以下特点： 先进性和开放性在系统设计时不仅满足当前的设计需求，还应顾及未来功能的扩展；的接口不仅满足目前硬件系统，还应满足与其他设备之间进行互联的预留接口；数据处理的性能不仅满足目前的需求，还应预留足够空间满足扩展的功能。确保整个系统具有较强的生命周期、先进性和开放性。 稳定性和可靠性确保整个系统在、数据传输、数据处理的各个环节上有较强的稳定可靠性。对异常情况能准确处理，确保系统在 7*24 小时的运行过程中准确无误的将图像数据传输给中心。 可操作性和易操作终端全部采用性的图形化管理界面易于管理对设备的操控，管理人员通过简单的培训或查阅相关文

47、档说明书即可完成对数据、备份和处理等操作。系统采用模块化组合处理，各个模块具有自检、修护功能，模块预留与外界端口，易于操作。 安全性和规范性系统设计时需要考虑实际应用环境，确保该系统在不影响其他电力设备的情况下能安全运行，技术上采用可靠、全面的措施对数据进行保护。编写详细的用户手册和使用文档，对各个重要操作步骤进行详细描述。 良好的性价比以确保整个系统高效、稳定、可靠的运行为前提，充分考虑对数据资源的合理处理，最大程度降低系统设备开发成本，提高系统整体性价比。智能电力进行实时系统主要对变电站内高压开关柜、低压开关柜、变压器等的关键。系统实时单相、三相的电压和电流、功率、功率因数、电度、频率和电

48、流开关状态等各项参数，当某个参数值超出预设的阀值时便产生预警、信号，值班、企业能对异常情况做出准确及时的处理并对相关设备进行控制。一种现有的智能电网系统方案拓扑结构图如图 2.2 所示13。变电站电力设备的正常运行。本文研究的系统主要完成能对设备关键节点的温度情况进行，及时将监测的温度情况传递给值班。下面将对现有常见的电力设备温度检测方案进行分析对比，目前的温度监测方案主要有热电阻技术的测温方案、光纤技术的测温方案、声表面波技术的监测方案和红外成像技术的方案。2.4.1 基于热电阻技术的测温方案热电阻测温方案主要应用在低、中温度测温环境中，主要基于电力传输过程中温度与电阻形成一定的比例关系，不

49、同的温度对应不同的电阻值的原理。将电路中的热电阻与电容组成 RC 振荡电路，即可通过输出的频率值获取不同的电阻值，再通过计算求取当前监测点的温度值。热电阻的电阻值与温度关系式为：系统如图 2.4 所示15。然后声表面波器件通过对传输的声信号进行放大、采样等处理，通过声电转化器件获取电信号；最后对的电信号进行分析处理，最终获取温度值信息。传感器表面的反射条的数目和位置决定用户 ID，对发射的信号脉冲的延时进行估算，实时解调识别码。收到询问信号后将电信号转换为声信号并撞击反射区。反射区位置和数目的不同对应信号具有不同的振幅和相位18。声表面波测温技术组成框图如图 2.5 所示。2.5 本章小结本章

50、首先通过实例分析突出变电站对人们生活产生着重要影响，得出电力设备的重要性；然后对电力事故中主要的故障点、系统的组成和系统监测对象进行介绍；最后详细对比介绍了 4 种测温技术方案，最终选择适合于本课题的红外成像技术测温方案。第三章 红外成像测温系统总体设计上一章对电力系统进行全面对比分析，选取基于红外成像技术的测温方案。为了更加直观的了解现场情况，本系统加以可见光作为辅助，可见光市场上技术比较成熟，本文将主要对红外成像技术进行验证。本章详细分析红外成像测温系统的功能需求，在需求分析的基础之上硬件终端选取适合于本项目的ARM+FPGA 的红外系统设计方案，然后对系统软、硬件的组建进行介绍。3.1

51、红外成像测温系统功能需求分析根据前一章的对测温系统的技术方案进行对比分析，本择红外成像技术方案。测温系统的目的是获取变电站内设备关键点的温度信息，了解变电站设备运行状况。主要通过红外成像测温系统获取红外灰度图像，经过分析处理获得设备温度信息，结合可见光析如表 3.1 所示。仪获取设备及周围可视图像。红外成像系统需求分表 3. 1 系统整体功能需求分析根据上述所有要求，在具体设计时，该 实现对变电站中关键设备进行红外系统需要实现如下功能：和可见光。 通过温、湿度传感器获取点实时的环境温度信息。系统功能说明红外红外电力设备关键节点状态，获取设备关键点温度情况。可见光变电站现场情况，防止人为破坏电力

52、设备。云台控制中心对通过云台调控，获取设备节点。现场环境温、湿度获取环境温、湿度，在进温计算时便于对图像进行补偿，提高节点温度精度。图像数据上传图像数据通过网口上传至远端中心。管理服务器对用户登录权限进行设置，用户登录退出进行，实时保存变电站各个点发出的参数值。主机主机具有对前端云台进行控制、布防等功能。与大屏幕之间通过图形阵列（Graphics Array，VGA）方式连接。完成图像解压、图像控制、联动、数据统计和查询功能。辅助功能协同配合其他监测、控制设备（如负荷监测设备、智能抄表计费设备）构建智能坚强电网。 将红外设备的现场图像经过处理，上传到中心。中心对的红外灰度图像进行温度标定，获取

53、关键点的温度信息，并查阅监测点材料对应的温度允许范围，及时判断该监测点的安全情况。 根据获取的设备关键节点温度情况，判断温度等级，启动预案，将故障设备信息通告管理与值班。中心能对的数据进行保存和分析，通过时间与设备温度变化曲线，分析设备运行状况。 将各个设备温度信息通过电视墙实时显示。表 3.2 列举系统要实现的部分功能，以及达到的相应性能指标。表 3. 2 系统部分性能指标系统部分性能性能指标红外探测器非制冷面微热辐射计型探测器像素（可兼容）160120；320240；384288信号数字化分辨率16Bit图像帧频50Hz图像处理非均匀性校正/滤波/增强测温测量范围20500（可根据需要扩展

54、）测温精度11(X125)22%(125X500)测温功能可进行全屏任意点测温测温区域功能显示区域最高温度最低温度平均温度方式手动/自动单帧图像画面显示全屏伪彩，可调整色标、亮度、对比度可见光成像可见光头(自动/手动调节可见光效果)调焦自动/手动传输方式网口PC输出PAL/NTSC(可选)声音高于、低于设定温度值可自动3.2 红外成像测温系统架构通过上一节对红外成像的具体情况进行分析。系统要实现的功能进行简要介绍，下面对系统实施 应用环境：变电站内电力设备安装点。 主要目的：监测变电站内各个电力设备关键节点温度情况，反应电力设备的运行状况。 主要任务和方式：通过红外成像技术电力设备重要接头节点

55、的图像信息，通过算法分析处理获取探测节点的温度信息，可见光监测。头对现场进行辅助性 使用主要技术：红外成像技术，开发技术，图像技术。红外成像智能电网系统由三部分组成：图像系统、图像传输系统、中心系统25。红外成像智能电网测温系统总体架构如图 3.1 所示。图像传输系统将对过网络传输端口上传至云台进行调控，并将中心。的温、湿度信息和图像信息通中心系统完成图像接收，图像，用户登陆管理，优先权分配，图像的实时，的、回放、备份、恢复等。当变电站内某个设备某项参数超出值时，即可触发系统，并通过方式通告值班出事设备所在区域和设备。中心可对变电站所有云台进行控制，确保获取更广的区域。3.3 红外成像终端系统

56、方案对比红外成像终端系统主要负责：图像、处理图像、上传图像。为达到性能指标，对目前主流的系统方案：可编程片上系统（System On Programmable Chip，SOPC）、DSP+FPGA、ARM+FPGA 进行对比分析。3.3.1 SOPC 系统方案SOPC 采用可编程逻辑技术将整个系统移植到一块硅片上，常见的将 CPU、存储器、外设 I/O 和逻辑控制单元等集成在单片 FPGA 器件上，实现在单个上完成整个系统的逻辑功能26。SOPC 模块主要完成：对非制冷面阵列（UncooledFocal Plane Arrays，UFPA）探测器进行初始化和提供驱动信号；提供 A/D 电路控

57、制信号；对原始图像信号进行算法处理；对图像数据的控制；对图像显示系统的控制；对通信模块以及对设备的控制。SOPC 系统方案如图 3.2 所示。3.3.2 DSP+FPGA 系统方案方案中 DSP 作为专门的微处理器，通过汇编或高级语言进行编程对图像进行处理，对模块获取的原始图像进行算法处理；对外设各个外接功能模块的硬件初始化；对显示终端界面和网络模块进行初始化；对图像数据的、显示等功能进行管理。FPGA 负责为红外图像模块中探测器提供时钟驱动信号；对模块电路的控制；对 A/D 数据转换电路模块的控制；对系统外设功能模块的管理。DSP+FPGA 系统方案如图 3.3 所示27。3.4 红外成像测

58、温终端总体设计根据前几节的分析对比结合系统需求分析，本择出适合于本项目的ARM+FPGA 系统方案。根据系统总体框架为基础终端总体设计如图 3.5 所示。理模块、ARM 控制模块。红外成像处理系统硬件如图 3.6 所示。 价格便宜，降低开发成本。 开发简单，减短周期。根据硬件系统的功能分析，考虑到系统处理能力向上和向下的兼容性，对处理的数据均考虑到最大情况，前端非制冷面微热辐射计型探测器选用兼容最大可能的 384288 像素，帧频为 50Hz。处理器对的图像数据进行算法处理时，一个像素点需要 20 个指令周期，即在进行处理时 1 秒内 CPU 的计算量为：5038428820=10506240

59、0105MHz。再考虑到其它数据吞吐、计算及其它开销，至少需要上述 23 倍的CPU 运算能力。系统选取时，图像按每秒 25 帧计算、一帧 384288 个像素点、每个像素点宽度 16 位，每秒过压缩图像数据量为 44.2MB，单帧为 0.88MB。考虑到图像处理运算过程中需要大约 10 帧的图像缓存空间，以及程序代码运行空间，因此系统内存至少大于 100MB。 FPGA选型FPGA 主要承担图像后，本系统 FPGA特性如下表 3.4 所示。、图像处理算法的实现功能。在综合考虑成本、性能等选用 AC公司推出的ProASIC3 系列，该系列表 3. 4 ProASIC3 系列特性根据上一节对处理

60、数据的分析，选取适合的 A3P1000，它具有可反复编程修改、处理速度快、并行性等优点，非常适合于图像处理，它采用 3.3V 直流电压供S 工艺，该的主要特性有30：具有 1000000 个栅极数目。器资源丰富，包括双端口和单端口 SRAM。3 个相位选择器、6 个可编程延时器、5 个可编程分频器、1 个固定延时器。锁相环（Phase Locking Loop，PLL）输入频率范围 1.5MHz350MHz，通过电，1)2)3)4)器件A3P030A3P060A3P125A3P250A3P400A3P600A3P1000系统门30,00060,000125,000250,000400,0006