低頻喚醒式電廠高壓開關柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

周曉莉，郭文勝

(1.山西工程技術學院，山西 陽泉 045000;2.中國聯(lián)通陽泉市分公司，山西 陽泉 045000)

發(fā)電廠內部控制發(fā)電機組運行的一系列開關柜是重要的電器設備，對其觸頭溫度實施在線監(jiān)測尤為重要。設備內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行傳輸，但也存在著傳感器組網和功耗問題。本文采用低頻喚醒的方式設計無線采集模塊，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進行溫度采集，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，用時分復用和碼分復用相結合的方式實現(xiàn)了多個傳感器組網。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件設計

觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

每個高壓開關柜有六個觸頭溫度需要監(jiān)測，下位機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。上位機為置于高壓開關柜外表面的無線接收模塊，主要完成對應開關柜內的溫度數(shù)據(jù)接收存儲、液晶顯示及上傳報警。上位機定時發(fā)送125 kHz 低頻喚醒信號，下位機被喚醒后回傳433 M 觸點溫度信息［1］。

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CC1000。

下位機利用MSP430F1132 內部10 位AD 轉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 構成，定時接收上位機發(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，其余時間單片機進入休眠狀態(tài)，CC1000 射頻模塊進入掉電模式。電源采用電流感應方式從電力線路上獲取能量，結合穩(wěn)壓器件和超級電容實現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出。

上位機的低頻喚醒部分由低頻喚醒信號發(fā)送芯片ATA5276 構成，結合單片機定時發(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，然后接收存儲它上傳的觸點溫度信息，采集完六個下位機的信息后等待PC輪詢時上傳。

1.1 上位機硬件設計

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

MSP430F1132 是TI 公司推出的一款的16 位超低功耗單片機，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)接口同時有一些復用功能，如:P1.4—P1.7 復用了下載程序的JTAG 接口［2］。

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 調制方式。圖2 中DIO 引腳與單片機的P2.2 腳連接，當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，單片機的P2.1 腳如果能捕獲到DIO 引腳發(fā)出的負脈沖信號就可以確認發(fā)送成功，否則重新發(fā)送;當DIO 引腳變?yōu)楦唠娖綍r，不發(fā)送任何喚醒信號［3］。

圖2 低頻喚醒發(fā)送電路

1.2 下位機硬件設計

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1 μA，工作電流2 μA，工作電壓2～3.6 V。數(shù)據(jù)速率可達4 kbps，ASK 調制方式。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I/O 口接收數(shù)據(jù)，7 腳N_WAKEUP 接單片機TACLK 口用于喚醒單片機。該芯片對125 kHz 信號的接收靈敏度為1 mV，當LC 電路感應出的峰值電壓大于1 mV 時，ATA5283 的7 腳N_WAKEUP 端被拉低，單片機被喚醒，開始采集其6 腳NDATA 端的輸出數(shù)據(jù)，采集完成后單片機輸出一個高電平信號給ATA5283 的5腳使其復位，然后單片機進入休眠狀態(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，利用單片機內部10 位AD 轉化模塊完成溫度信息的模數(shù)轉換。

圖3 低頻喚醒接收電路

2 軟件設計

2.1 上位機軟件設計

上位機低頻喚醒發(fā)送流程圖如圖4 所示。

MSP430 單片機上電初始化后，P2.2 腳設為低電平，對應DIO 為高電平，當發(fā)送數(shù)據(jù)時P2.2 腳變?yōu)楦唠娖?，DIO 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?，對應DIO 變?yōu)楦唠娖剑訒r約15 ms 后，P2.1 捕獲DIO 反饋的負脈沖確認信號，在CCU 捕獲中斷服務程序內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 下位機軟件設計

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

圖4 低頻喚醒發(fā)送流程

本文設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。

表1 低頻信號格式

具體工作過程:

1)8 ms 的前導碼(Preamble)引起芯片的工作，N_WAKEUP 端被拉低，N_DATA 端也被拉低。前導碼必須大于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被喚醒;

3)每隔1 ms 采集一次N_DATA 端的數(shù)據(jù)，驗證確認碼的真?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，此為上位機發(fā)送的地址信號;

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

單片機將接收到的地址信息與本機地址比對，若相同就喚醒其它電路完成一次溫度采集發(fā)送，若不同就進入休眠模式。下位機低頻喚醒接收流程圖如圖5 所示。

圖5 低頻喚醒接收流程

MSP430 單片機上電初始化后進入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。當有輸入信號時，ATA5283 的N_WAKEUP 端被拉低，下降沿觸發(fā)MSP430 進入中斷服務程序，依次采集8 位確認碼和8位ID 信息，比對接收到的地址信息，如果與本機地址相同則啟動CC1000 模塊完成溫度采集發(fā)送，完成后P1.2 給ATA5283 一個正脈沖復位它回到待機偵聽模式。

3 總結

本文將低頻喚醒芯片ATA5276 和ATA5283 用于電廠高壓開關柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，與射頻芯片CC1000 相結合實現(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問題。

［1］苑舜.高壓開關設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］何立民.單片機應用系統(tǒng)設計［M］.北京:航空航天大學出版社，1998.

［3］金允霖，趙春宇.應用Atmel 低頻喚醒收發(fā)芯片降低功耗的設計［J］.電子技術應用，2007，33(5):55－58.