電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)低功耗無線節(jié)點模塊設(shè)計

摘要：提出了一種用于電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點模塊設(shè)計方案，利用LPC1114的省電耗模式配合Si4432集成芯片實現(xiàn)無線收發(fā)模塊的低功耗。另外，針對模塊硬件實現(xiàn)RF前端高頻電路設(shè)計和前期仿真做出詳細說明，模塊的RF性能指標(biāo)分別做了測試，分析了本模塊的耗能數(shù)據(jù)，可以滿足大部分的低功耗、低速率、高靈敏度的實時無線數(shù)據(jù)傳輸需求，本模塊已經(jīng)可靠、穩(wěn)定地應(yīng)用于系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：低功耗；Cortex-M0內(nèi)核；無線收發(fā)模塊；Si4432；電機溫度監(jiān)測

電機在長期高速運轉(zhuǎn)的情況下會產(chǎn)生大量熱量，引起主要部件的溫度升高，出現(xiàn)電機燒毀現(xiàn)象，像動車組列車牽引電機，可能會帶來嚴重的安全隱患，由于大部分電機的特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的紅外軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，無法檢測到電機的溫度。實時測量電機的溫度，防止電機過熱產(chǎn)生故障是設(shè)計系統(tǒng)的目標(biāo)。本文提出的溫度檢測系統(tǒng)利用內(nèi)嵌Cortex-M0內(nèi)核的低成本、低功耗MCU把溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)通過高集成度、低功耗的射頻芯片發(fā)送到監(jiān)控中心實現(xiàn)。

1 模塊結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計方案
1．1 無線模塊方案
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集，選用DS18B20芯片；微控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能，選用NXP提供的內(nèi)嵌Cortex-M0核的LPC1114；無線傳輸單元負責(zé)低功耗短距離節(jié)點間通信，選用Silicon Labs提供的Si4432芯片；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化。
本節(jié)點模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 模塊硬件實現(xiàn)
其中溫度傳感器通過一線數(shù)據(jù)接口把檢測到的溫度數(shù)據(jù)通過MCU的GPIO口傳送過去，MCU通過增強型SPI接口對Si4432進行內(nèi)部寄存器讀寫，可以靈活配置各項參數(shù)。另外通過四線SPI接口，即MOSI，MISO，SCLK和nSEL。其中MOSI用于從LPC1114到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到LPC1114的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效，具體的硬件電路設(shè)計參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，可以使Si4432達到較好的通信效果，通過ADS對RF前端的LP filter電路進行仿真，其S參數(shù)仿真如圖2所示，可以看出在其240～960 MHz通頻段內(nèi)，具有很小的回波損耗。