低頻喚醒式電廠(chǎng)高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度監測系統設計

發(fā)電廠(chǎng)內部控制發(fā)電機組運行的一系列開(kāi)關(guān)柜是重要的電器設備，對其觸頭溫度實(shí)施在線(xiàn)監測尤為重要。設備內部要求高低壓隔離使得監測裝置朝著(zhù)非接觸式檢測方向發(fā)展，目前大多采用無(wú)線(xiàn)電方式進(jìn)行傳輸，但也存在著(zhù)傳感器組網(wǎng)和功耗問(wèn)題。本文采用低頻喚醒的方式設計無(wú)線(xiàn)采集模塊，讓它工作在瞬時(shí)發(fā)送，長(cháng)時(shí)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，有效避免了多個(gè)無(wú)線(xiàn)采集模塊同時(shí)發(fā)送信息的沖突問(wèn)題，用時(shí)分復用和碼分復用相結合的方式實(shí)現了多個(gè)傳感器組網(wǎng)。

1 系統工作原理及硬件設計

觸頭溫度監測系統框圖如圖1所示。

每個(gè)高壓開(kāi)關(guān)柜有六個(gè)觸頭溫度需要監測，下位機為置于觸頭臂上的無(wú)線(xiàn)采集模塊，主要完成溫度數據的采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送。上位機為置于高壓開(kāi)關(guān)柜外表面的無(wú)線(xiàn)接收模塊，主要完成對應開(kāi)關(guān)柜內的溫度數據接收存儲、液晶顯示及上傳報警。上位機定時(shí)發(fā)送125 kHz低頻喚醒信號，下位機被喚醒后回傳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MSP430F1132，無(wú)線(xiàn)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(shí)接收上位機發(fā)送的125 kHz的低頻喚醒信號，被喚醒后啟動(dòng)CC1000射頻模塊完成一次溫度采集上傳，其余時(shí)間單片機進(jìn)入休眠狀態(tài)，CC1000射頻模塊進(jìn)入掉電模式。電源采用電流感應方式從電力線(xiàn)路上獲取能量，結合穩壓器件和超級電容實(shí)現穩定的電能輸出。

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(shí)發(fā)送125kHz的帶有地址信息的低頻喚醒信號，每次喚醒一個(gè)下位機，然后接收存儲它上傳的觸點(diǎn)溫度信息，采集完六個(gè)下位機的信息后等待PC輪詢(xún)時(shí)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(gè)16位的定時(shí)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(gè)引腳，其中兩個(gè)八位并行數據接口P1(P1.0-P1.7)、P2(P2.0-P2.5)，這些數據接口同時(shí)有一些復用功能，如：P1.4-P1.7復用了下載程序的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(guò)外部單片機控制該芯片的一個(gè)“單線(xiàn)雙向”接口(DIO pin)就能將能量和數據通過(guò)天線(xiàn)線(xiàn)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(shí)，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(shí)，不發(fā)送任何喚醒信號。

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1μA，工作電流2μA，工作電壓2～3.6 V。數據速率可達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口接收數據，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(shí)，ATA5283的7腳N_WAKEUP端被拉低，單片機被喚醒，開(kāi)始采集其6腳NDATA端的輸出數據，采集完成后單片機輸出一個(gè)高電平信號給ATA5283的5腳使其復位，然后單片機進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。

MSP430F1132的P2.2腳接MAX6613傳感器的模擬數據輸出端，利用單片機內部10位AD轉化模塊完成溫度信息的模數轉換。

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)送數據時(shí)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(shí)1 ms后發(fā)送16位數據，發(fā)送完成后P2.2腳變?yōu)榈碗娖?，對應DIO變?yōu)楦唠娖?，延時(shí)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(wù)程序內獲得該信號下降沿和上升沿的時(shí)間差就能判斷出所有的數據是否正確發(fā)送。

2.2 下位機軟件設計

ATA5283芯片初始化后，開(kāi)始偵聽(tīng)125 kHz頻段，當有效喚醒信號出現時(shí)，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(jìn)入接收低頻喚醒信號的中斷服務(wù)程序，數據通信完成后，ATA5283返回偵聽(tīng)模式，單片機進(jìn)入休眠模式，射頻模塊進(jìn)入掉電模式。

本文設計的低頻喚醒信號數據速率為1 kbps，每個(gè)Bit持續1 ms，具體格式如表1所示。

具體工作過(guò)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(huì )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端的數據，驗證確認碼的真偽，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據后，給出一個(gè)高電平到ATA5283的RESET腳，復位ATA5283回到待機偵聽(tīng)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(jìn)入休眠模式。

下位機低頻喚醒接收流程圖如圖5所示。

MSP430單片機上電初始化后進(jìn)入LPM4休眠模式，低頻喚醒數據接收和溫度數據采集發(fā)送在中斷程序中完成。當有輸入信號時(shí)，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(dòng)CC1000模塊完成溫度采集發(fā)送，完成后P1.2給ATA5283一個(gè)正脈沖復位它回到待機偵聽(tīng)模式。

3 總結

本文將低頻喚醒芯片ATA5276和ATA5283用于電廠(chǎng)高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度監測系統中，與射頻芯片CC1000相結合實(shí)現了非接觸式溫度監測，并使傳感器電路工作在瞬時(shí)發(fā)送和長(cháng)時(shí)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(gè)傳感器的組網(wǎng)問(wèn)題。