基于nRF9E5的火電廠溫度無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季鵬偉,陳曉亮

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012;2.內(nèi)蒙古京科發(fā)電有限公司,巴彥呼舒鎮(zhèn) 029400)

0 引言

汽輪機(jī)是火電廠的重要?jiǎng)恿υO(shè)備,汽輪機(jī)運(yùn)行的好壞,直接關(guān)系到電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性,因此保證汽輪機(jī)的安全是整個(gè)汽機(jī)運(yùn)行人員的重要職責(zé)。由于汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)上精密、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,要保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須要掌握它的熱力特性,而熱力特性必須要通過熱力試驗(yàn)來取得。因此,在機(jī)組大、小修后及新安裝機(jī)組投運(yùn)之前,必須對(duì)其進(jìn)行熱力試驗(yàn)[1]?；痣姀S汽輪機(jī)熱力試驗(yàn)一般采用有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),每次試驗(yàn)都要布置80根左右的測(cè)量線纜,帶來布線復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高等一系列問題。與有線技術(shù)相比,無線技術(shù)主要具有成本低、攜帶方便、省去布線煩惱等優(yōu)點(diǎn)?；趎RF9E5的溫度無線采集系統(tǒng)由多個(gè)無線采集端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)主控單元組成。無線采集端節(jié)點(diǎn)工作在各個(gè)測(cè)試地點(diǎn),進(jìn)行熱力參數(shù)的采集和無線發(fā)送。主控單元與多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,并通過液晶顯示器將數(shù)據(jù)顯示出來,同時(shí)可以通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。

1 nRF9E5簡(jiǎn)介

nRF9E5是Nordic V LSI公司推出的射頻片上系統(tǒng),內(nèi)嵌8051兼容微控制器、RF收發(fā)器和4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器[2],其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 nRF9E5內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容,但指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源:分別是ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。此外,還擴(kuò)展了2個(gè)數(shù)據(jù)指針,以方便于從XRAM 區(qū)讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有 256 B的數(shù)據(jù)RAM和512 B的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后,處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下,從EEPROM加載到1個(gè)4 kB的RAM中,這個(gè)4 kB的RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。當(dāng)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí),可要求廠家代理將程序固化到片內(nèi),這樣可省去EEPROM的費(fèi)用并進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積。

nRF9E5內(nèi)置收發(fā)器具有與單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能,可通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信。收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對(duì)特殊功能寄存器RADIO(0xA 0)編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式(TX)下,最小工作電流僅為9 mA(輸出功率-10 dBm),接收(RX)模式下工作電流為12.5 mA,掉電模式下的工作電流僅為 2.5μA[3]?？梢?nRF9E5的功耗很低。

nRF9E5使用Nordic V LSI公司的Shock Burst技術(shù)(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC),實(shí)現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入,高速數(shù)據(jù)輸出,從而降低了系統(tǒng)的平均能耗。另外,nRF9E5還具有載波檢測(cè)功能。在Shock Burst接收方式下,當(dāng)出現(xiàn)nRF905工作信道內(nèi)的射頻載波時(shí),載波檢測(cè)引腳(CD)被置高。當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),它首先進(jìn)入接收方式并探測(cè)所工作的信道是否空閑,這是一種簡(jiǎn)單的傳輸前監(jiān)聽協(xié)議。這一特性很好地避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞。

2 硬件設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)熱力特性參數(shù)無線采集系統(tǒng)主要由主控單元和采集端節(jié)點(diǎn)組成。

2.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元包括微控制器及射頻收發(fā)單元、顯示單元、電源模塊及接口單元,主要硬件連接如圖2所示。

圖2 主控單元主要部件原理圖

本設(shè)計(jì)中采用的nRF9E5無線模塊工作電壓為1.9～3.6 V。其中LM 1117是一個(gè)穩(wěn)壓器。輸出端為3.3 V恒壓。圖中輸出電容對(duì)于保持輸出電壓的穩(wěn)定性起著非常重要的作用,它提高了回路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng),確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。同時(shí)LM 1117提供電流限制和熱保護(hù),提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

由于系統(tǒng)的供電電壓為3 V,所以顯示器件必須是能工作在3 V電壓下的液晶模塊。DM 12232F是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及122×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示,也可以顯示7個(gè)半(16×16點(diǎn)陣)漢字。

接口單元是為了方便射頻模塊和PC的通信,通?？刹捎肦S232接口、USB接口、以太網(wǎng)接口等,其中,RS232接口是目前PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。本設(shè)計(jì)使用 RS232接口。由于PC系列微機(jī)串行口為RS232C標(biāo)準(zhǔn)接口,與輸入、輸出均采用TTL電平的89C51單片機(jī)在接口規(guī)范上不一致,因此,TTL電平到RS232接口電平的轉(zhuǎn)換采用AXIM公司的MAX232標(biāo)準(zhǔn)RS232接口芯片。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采集端節(jié)點(diǎn)單元包括微控制器及射頻發(fā)送單元、電源模塊、接口單元、傳感器單元。其中,微控制器及射頻發(fā)送單元、電源模塊、接口單元與主控單元的相同。

傳感器的任務(wù)是將全面的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。要檢測(cè)溫度必須采用合適的傳感器。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件。它的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高,靈敏度高,測(cè)量范圍大,無需參考點(diǎn)。金屬熱電阻傳感器的感溫元件是由純金屬制成。當(dāng)溫度變化時(shí),感溫元件的電阻值隨溫度而變化,通過測(cè)量電路(電橋)轉(zhuǎn)換成電壓(mV)信號(hào),然后送至AD轉(zhuǎn)換器。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。本系統(tǒng)采用時(shí)分多路訪問通信技術(shù)(TDMA),將點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。因此必然涉及信源與信宿之間建立通信連接時(shí)的地址匹配問題。由于主接收器與數(shù)據(jù)終端之間的通信可能會(huì)受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯(cuò)誤,因此,需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。nRF9E5只有一種協(xié)議格式,如圖4所示。

圖4 幀結(jié)構(gòu)

其中的前綴也就是數(shù)據(jù)頭,設(shè)備地址包括本機(jī)的地址和主接收器的地址,CRC校驗(yàn)可進(jìn)行8位或16位選擇。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件2部分。下位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理,主要包括發(fā)送、接收數(shù)據(jù)程序,通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和管理。發(fā)射和接收數(shù)據(jù)程序流程圖見圖5和圖6。

圖5 發(fā)送程序流程圖

圖6 接收程序流程圖

上位機(jī)的軟件流程圖及采數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示畫面分別如圖7和8所示。

圖7 上位機(jī)軟件流程圖

圖8 采集畫面

4 結(jié)語

基于nRF9E5設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有體積小、功耗低、抗干擾性強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠及成本低等特點(diǎn),適用于發(fā)電廠大修前后熱力試驗(yàn)的溫度及其他熱力參數(shù)的采集。

[1]嚴(yán)俊杰,黃錦濤.發(fā)電廠熱力系統(tǒng)及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003:50-67.

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