基于模塊化核電機組不可達區(qū)域設備的無線振動傳感器設計方案

王新陽　劉明利

摘 要：隨著世界人口的增長和生產、生活質量的進步，以及化石能源的日益枯竭，人類對清潔電能的需求日益迫切，百萬千瓦級別的核電清潔能源機組建設也越來越多，為了便于土建施工，許多新型核電機組選擇了模塊化的設計和建造，大大縮短了機組的建設工期。然而，一些預期或不期的問題也隨之而來，比如輻射控制區(qū)域設備和負壓條件下通風機組模塊的振動測量問題就是其中之一，用我們常規(guī)的便攜式振動測量儀表進行振動測量將存在時間和空間上的困難。那么我們是否能夠將現代的無線通信技術融合到振動測量領域中呢？文章將從電子學理論和技術方面進行無線振動傳感器方案設計，以實現通過無線射頻技術進行設備振動測量的理想目標。最后將以此為根據，展望可能在未來實現建立全國無線振動傳感器網絡的宏偉藍圖。

關鍵詞：核電；模塊化機組；傳感器網絡

1 概述

由于振動理論的相對完善性及其對設備維護的實踐經驗可行性，振動監(jiān)測與診斷分析技術在維護幾乎所有的轉機、靜機等機械健康運行和延長壽命方面得到了全世界的認可，任何電廠或相關企業(yè)都專門設有振動崗位，期望通過振動技術降低成本，以實現利潤最大化。

隨著工廠規(guī)模的逐步擴大，存在空間上的不可達區(qū)域越來越多。比如近些年比較流行的電廠模塊化建造技術，能夠有效縮短工期，一些整體型通風機組等模塊化產品也應運而生，通常這些模塊內部的空間都極其狹小，振動技術人員攜帶傳統(tǒng)的有線式振動儀表難以進入其中進行振動測量；更如核電廠，存在放射性控制區(qū)域，正常運行期間人員禁止進入。這些因素限制了振動技術的應用，通過其他技術也難以對設備的健康進行有效維護。

針對這些現實問題，本文將把無線射頻技術與振動測量技術結合起來，設計出一款能夠進行無線振動測量的傳感器集成電路。

2 設計需求分析

（1）傳感器尺寸：無線傳感器監(jiān)測端需要安裝在待測設備上，由于設備結構和種類繁多，安裝空間可能非常有限，這樣就要求設計的傳感器尺寸要盡可能小。

（2）成本控制：成本從來都是衡量設計優(yōu)劣的重要因素之一。

（3）功耗要求：本設計在器件選擇時需盡量選擇低功耗芯片，最好能有睡眠模式，有助于在我們需要時喚醒，不需要時進入睡眠狀態(tài)降低功耗。

（4）無線頻段的選擇：全世界各個國家都對無線頻道的申請和使用進行嚴格控制，最好選擇工作在無需向當地頻譜管理單位申請即可使用的頻段的收發(fā)芯片，如433MHz，868MHz，915MHz，2.4GHz等。本設計選擇的無線射頻器件可以工作在433MHz頻段。

3 元器件選型

由于設計要求尺寸盡量小，所以要求所選元器件要具有盡可能高的集成度。綜合各因素，本設計選擇SiliconLabs公司的Si1002-E-GM2無線微處理器、Analog Devices公司的ADXL335三軸模擬加速度傳感器芯片及Maxim公司的MAX3232串口芯片。

3.1 Si1002-E-GM2無線微處理器

Si1002-E-GM2無線微處理器內部集成了25MHz晶振的8051兼容內核和EZRadioPRO無線射頻收發(fā)模塊，使得微處理器和無線射頻收發(fā)芯片集成在一塊芯片上，減少了芯片數量，進而減小了傳感器尺寸。

Si1002-E-GM2具有22個I/O端口、4kB的RAM、64kB的Flash、10位分辨率的ADC、4個通用16位定時器，以及增強型的UART、SPI、I2C總線接口。

Si1002-E-GM2還具有多種電源管理模式，我們最需要的典型的休眠模式下，電流僅為50nA。

EZRadioPRO無線射頻收發(fā)模塊的工作頻帶范圍為240-960MHz。最大輸出功率+13dB，靈敏度-121dB，最大數據傳輸速率256kbps，而且參數計算和設置都非常簡單。

3.2 ADXL335三軸加速度傳感器

ADXL335三軸模擬加速度傳感器芯片體積?。?mm×4mm×1.45mm LFCSP封裝），測量范圍合適（±3g最小），功耗低（350典型值），運行溫度范圍寬（-40℃——85℃）且抗溫度變化穩(wěn)定性出色（±0.01%/℃），帶寬可調節(jié)（通過三個方向的濾波電容選擇來實現）。

3.3 MAX3232串口

MAX3232串口芯片用以實現RS232電平與TTL電平之間的轉換，用以實現MCU和計算機之間的串行通信。

3.4 電源模塊

無線監(jiān)測系統(tǒng)要求電源的輸出紋波小，即穩(wěn)壓效果好。從電池壽命考慮，要求電源電路減小功耗、提高效率，且不要占用太多PCB空間。

本設計各模塊的工作電壓范圍如下：

（1）Si1002-E-GM2：1.8-3.6V；

（2）ADXL335：1.8-3.6V；

（3）MAX3232：3.0-5.5V。

因此，選擇3.3V作為各器件供電電壓可以滿足要求，電源可選用9V電池供電，調節(jié)穩(wěn)壓芯片選擇Advanced Micro Systems公司的AMS1117。

4 硬件設計

硬件設計有兩個模塊：監(jiān)測模塊和接收模塊。為簡化設計量，兩模塊硬件設計方案一致，硬件組成框圖如圖1所示。

其中接收模塊連接一個1602液晶，用以顯示當前狀態(tài)、接收到的數據等信息。

4.1 無線微處理器模塊

根據設計需求分析，我們需要進一步分配芯片內各種資源，配置相關引腳功能以及設計各模塊電路。

4.1.1 芯片內資源分配

（1）系統(tǒng)時鐘選擇：為減小尺寸，我們采用Si1002-E-GM2的內部24.5MHz晶振作為時鐘源。

（2）ADC：Si1002-E-GM2擁有一個10位分辨率、最大數據傳輸速率300kbps模數轉換器ADC0。它的功能是將模擬輸入信號轉換為數字信號傳遞給MCU進行處理。

（3）串口通信：UART0是一個異步全雙工的標準8051通用異步收發(fā)傳輸器。利用UART0可以建立起監(jiān)測模塊、接收模塊與計算機的通信。

（4）定時器配置：Si1002-E-GM2內部有4個定時器，兩個16位定時器與8051定時器兼容，另兩個是16位自動重裝定時器。我們選擇應用Timer1為UART0提供波特率；應用Timer2的溢出位作為ADC0的轉換啟動信號。

4.1.2 輸入輸出（I/O）端口功能分配

Si1002-E-GM2具有22個I/O端口，19個端口可以應用MCU的數字、模擬資源，另外3個專用于EZRadioPRO。利用自帶的優(yōu)先權數字交叉開關譯碼器功能可以自由地將P0^0-P2^6端口配置為模擬或數字端口。P1^0-P1^4是內部與EZRadioPRO連接的專用端口。

6 初步成果

作者通過以上方案進行了硬件焊接和軟件調試，完成初步成品，如圖6所示。經測試，能夠滿足一般測振需求，如經過具有資質的單位進行計量標定，則基本可以取代當前的有線便攜式振動測量儀表。

7 成本預估及目標展望

核電站廣泛采用的便攜式振動測量儀表一般為ENTAK公司和AMS公司生產，一套振動測量設備大致在20～30萬元RMB左右。

本設計中用到的芯片、PCB、電容、電阻、電感等總共的費用不到200元RMB。如果批量購買，單個傳感器成本將可能降低到150元RMB。

也就是說，購買一套便攜式振動測量儀表的成本，可以制造出約2000個無線振動傳感器，這個數量足以滿足絕大多數的核電機組需求，何況一般核電站都會配備若干套的振動儀表，這也使得構建更大范圍的無線振動傳感器網絡這一宏偉藍圖成為可能。

本文僅針對單個設備進行了無線振動傳感器方案設計。對于當前多達千臺轉機的核電廠來說，可以建立無線傳感器網絡，利用節(jié)點傳輸的方式，將所有測量節(jié)點的數據通過無線通信匯集到一個節(jié)點，再通過有線通信傳輸到服務器上，并通過LabVIEW等虛擬儀器軟件設計一個帶有頻譜分析等高級診斷功能的系統(tǒng)，這樣就可以實現全廠設備的遠程振動監(jiān)測和診斷分析。如將每個電廠的服務器再次進行無線通信，把數據匯集到一個性能更好的總服務器上，那么只需要建立一個振動服務器基站，就可以完全監(jiān)測到國內任何電廠的任何一臺設備的振動狀況。

參考文獻

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