低頻喚醒式電廠高壓開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)電廠內(nèi)部控制發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的一系列開關(guān)柜是重要的電器設(shè)備，對其觸頭溫度實施在線監(jiān)測尤為重要。設(shè)備內(nèi)部要求高低壓隔離使得監(jiān)測裝置朝著非接觸式檢測方向發(fā)展，目前大多采用無線電方式進(jìn)行傳輸，但也存在著傳感器組網(wǎng)和功耗問題。本文采用低頻喚醒的方式設(shè)計無線采集模塊，讓它工作在瞬時發(fā)送，長時休眠的模式下，在低頻喚醒信號中加入地址信息，每次只有效喚醒一個點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，有效避免了多個無線采集模塊同時發(fā)送信息的沖突問題，用時分復(fù)用和碼分復(fù)用相結(jié)合的方式實現(xiàn)了多個傳感器組網(wǎng)。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計

觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

每個高壓開關(guān)柜有六個觸頭溫度需要監(jiān)測，下位機(jī)為置于觸頭臂上的無線采集模塊，主要完成溫度數(shù)據(jù)的采集及無線發(fā)送。上位機(jī)為置于高壓開關(guān)柜外表面的無線接收模塊，主要完成對應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)接收存儲、液晶顯示及上傳報警。上位機(jī)定時發(fā)送125 kHz低頻喚醒信號，下位機(jī)被喚醒后回傳433 M觸點(diǎn)溫度信息。

測溫模塊中的微控制器采用了TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1132，無線收發(fā)芯片采用了TI公司的極低功耗的單片收發(fā)芯片CC10 00。

下位機(jī)利用MSP430F1132內(nèi)部10位AD轉(zhuǎn)化模塊與美信公司的MAX6613低功耗模擬溫度傳感器完成溫度采集和編碼;低頻喚醒部分由低頻喚醒信號接收芯片ATA5283構(gòu)成，定時接收上位機(jī)發(fā)送的125 kHz的低頻喚醒信號，被喚醒后啟動CC1000射頻模塊完成一次溫度采集上傳，其余時間單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，CC1000射頻模塊進(jìn)入掉電模式。電源采用電流感應(yīng)方式從電力線路上獲取能量，結(jié)合穩(wěn)壓器件和超級電容實現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出。

上位機(jī)的低頻喚醒部分由低頻喚醒信號發(fā)送芯片ATA5276構(gòu)成，結(jié)合單片機(jī)定時發(fā)送125kHz的帶有地址信息的低頻喚醒信號，每次喚醒一個下位機(jī)，然后接收存儲它上傳的觸點(diǎn)溫度信息，采集完六個下位機(jī)的信息后等待PC輪詢時上傳。

1.1 上位機(jī)硬件設(shè)計

低頻喚醒信號發(fā)送電路如圖2所示，主要由ATA5276芯片和MSP430F1132單片機(jī)組成。

MSP430F1132是TI公司推出的一款的16位超低功耗單片機(jī)，集成了較多的片上外圍資源，包括一個16位的定時器、10位速率為200 kbps的AD轉(zhuǎn)化器、8K+256B的FLASH、256B的RAM，圖2中所示，MSP430F1132共有20個引腳，其中兩個八位并行數(shù)據(jù)接口P1(P1.0-P1.7)、P2(P2.0-P2.5)，這些數(shù)據(jù)接口同時有一些復(fù)用功能，如：P1.4-P1.7復(fù)用了下載程序的JTAG接口。

ATA5276是Atmel公司推出的一款用于發(fā)射低頻喚醒信號的低功耗芯片。通過外部單片機(jī)控制該芯片的一個“單線雙向”接口(DIO pin)就能將能量和數(shù)據(jù)通過天線線圈發(fā)射出去，頻率為125 kHz，ASK調(diào)制方式。圖2中DIO引腳與單片機(jī)的P2.2腳連接，當(dāng)DIO引腳變?yōu)榈碗娖綍r，低頻喚醒信號發(fā)送模塊發(fā)送125 kHz低頻喚醒信號，發(fā)送完成后，單片機(jī)的P2.1腳如果能捕獲到DIO引腳發(fā)出的負(fù)脈沖信號就可以確認(rèn)發(fā)送成功，否則重新發(fā)送;當(dāng)DIO引腳變?yōu)楦唠娖綍r，不發(fā)送任何喚醒信號。

1.2 下位機(jī)硬件設(shè)計

低頻喚醒接收端電路如圖3所示，主要由ATA5283芯片和MSP430F1132單片機(jī)組成。

ATA5283是Atmel公司推出的一款適合于125 kHz低頻信號的低頻喚醒接收芯片，休眠電流為1μA，工作電流2μA，工作電壓2～3.6 V。數(shù)據(jù)速率可達(dá)4 kbps，ASK調(diào)制方式。ATA5283芯片的1腳接LC并聯(lián)諧振電路輸入125 kHz低頻信號，6腳N_DATA接單片機(jī)I/O口接收數(shù)據(jù)，7腳N_ WAKEUP接單片機(jī)TACLK口用于喚醒單片機(jī)。該芯片對125 kHz信號的接收靈敏度為1 mV，當(dāng)LC電路感應(yīng)出的峰值電壓大于1 mV時，ATA5283的7腳N_WAKEUP端被拉低，單片機(jī)被喚醒，開始采集其6腳NDATA端的輸出數(shù)據(jù)，采集完成后單片機(jī)輸出一個高電平信號給ATA5283的5腳使其復(fù)位，然后單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。

MSP430F1132的P2.2腳接MAX6613傳感器的模擬數(shù)據(jù)輸出端，利用單片機(jī)內(nèi)部10位AD轉(zhuǎn)化模塊完成溫度信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)低頻喚醒發(fā)送流程圖如圖4所示。

MSP430單片機(jī)上電初始化后，P2.2腳設(shè)為低電平，對應(yīng)DIO為高電平，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時P2.2腳變?yōu)楦唠娖剑珼IO腳變?yōu)榈碗娖?。首先發(fā)送8位序列頭信號，延時1 ms后發(fā)送16位數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后P2.2腳變?yōu)榈碗娖?，對?yīng)DIO變?yōu)楦唠娖?，延時約15 ms后，P2.1捕獲DIO反饋的負(fù)脈沖確認(rèn)信號，在CCU捕獲中斷服務(wù)程序內(nèi)獲得該信號下降沿和上升沿的時間差就能判斷出所有的數(shù)據(jù)是否正確發(fā)送。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

ATA5283芯片初始化后，開始偵聽125 kHz頻段，當(dāng)有效喚醒信號出現(xiàn)時，在芯片WAKEUP引腳輸出高電平喚醒單片機(jī)和射頻模塊。單片機(jī)進(jìn)入接收低頻喚醒信號的中斷服務(wù)程序，數(shù)據(jù)通信完成后，ATA5283返回偵聽模式，單片機(jī)進(jìn)入休眠模式，射頻模塊進(jìn)入掉電模式。

本文設(shè)計的低頻喚醒信號數(shù)據(jù)速率為1 kbps，每個Bit持續(xù)1 ms，具體格式如表1所示。

具體工作過程：

1)8 ms的前導(dǎo)碼(Preamble)引起芯片的工作，N_WAKEUP端被拉低，N_DATA端也被拉低。前導(dǎo)碼必須大于5.62 ms，這是芯片本身決定的，否則不會被喚醒;

2)N_WAKEUP端的拉低使得單片機(jī)被喚醒;

3)每隔1 ms采集一次N_DATA端的數(shù)據(jù)，驗證確認(rèn)碼的真?zhèn)?，避免干擾信號;

4)驗證成功后，每隔1 ms采集一次，共采集8次，此為上位機(jī)發(fā)送的地址信號;

5)單片機(jī)判斷接收完數(shù)據(jù)后，給出一個高電平到ATA5283的RESET腳，復(fù)位ATA5283回到待機(jī)偵聽模式。

單片機(jī)將接收到的地址信息與本機(jī)地址比對，若相同就喚醒其它電路完成一次溫度采集發(fā)送，若不同就進(jìn)入休眠模式。

下位機(jī)低頻喚醒接收流程圖如圖5所示。

MSP430單片機(jī)上電初始化后進(jìn)入LPM4休眠模式，低頻喚醒數(shù)據(jù)接收和溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)送在中斷程序中完成。當(dāng)有輸入信號時，ATA5283的N_WAKEUP端被拉低，下降沿觸發(fā)MSP430進(jìn)入中斷服務(wù)程序，依次采集8位確認(rèn)碼和8位ID信息，比對接收到的地址信息，如果與本機(jī)地址相同則啟動CC1000模塊完成溫度采集發(fā)送，完成后P1.2給ATA5283一個正脈沖復(fù)位它回到待機(jī)偵聽模式。

3 總結(jié)

本文將低頻喚醒芯片ATA5276和ATA5283用于電廠高壓開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，與射頻芯片CC1000相結(jié)合實現(xiàn)了非接觸式溫度監(jiān)測，并使傳感器電路工作在瞬時發(fā)送和長時休眠的工作狀態(tài)，有效降低了傳感器端的功耗，解決了多個傳感器的組網(wǎng)問題。