基于nRF9E5的火电厂温度无线采集系统设计

2011-03-12季鹏伟陈晓亮

长春工程学院学报（自然科学版） 2011年2期

季鹏伟,陈晓亮

(1.长春工程学院能源动力工程学院,长春 130012;2.内蒙古京科发电有限公司,巴彦呼舒镇 029400)

0 引言

汽轮机是火电厂的重要动力设备,汽轮机运行的好坏,直接关系到电厂的安全性和经济性,因此保证汽轮机的安全是整个汽机运行人员的重要职责。由于汽轮发电机组技术上精密、系统和结构复杂,要保证安全经济运行,必须要掌握它的热力特性,而热力特性必须要通过热力试验来取得。因此,在机组大、小修后及新安装机组投运之前,必须对其进行热力试验[1]。火电厂汽轮机热力试验一般采用有线数据采集系统,每次试验都要布置80根左右的测量线缆,带来布线复杂、维护困难、成本高等一系列问题。与有线技术相比,无线技术主要具有成本低、携带方便、省去布线烦恼等优点。基于nRF9E5的温度无线采集系统由多个无线采集端节点和1个主控单元组成。无线采集端节点工作在各个测试地点,进行热力参数的采集和无线发送。主控单元与多个节点进行无线通信,并通过液晶显示器将数据显示出来,同时可以通过RS-232串口将数据发送给PC机。

1 nRF9E5简介

nRF9E5是Nordic V LSI公司推出的射频片上系统,内嵌8051兼容微控制器、RF收发器和4通道10位A/D转换器[2],其内部结构如图1所示。

图1 nRF9E5内部结构图

nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容,但指令时序与标准8051稍有区别。中断控制器支持5个扩展中断源:分别是ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。此外,还扩展了2个数据指针,以方便于从XRAM 区读取数据。微处理器中有 256 B的数据RAM和512 B的ROM。上电复位或软件复位后,处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下,从EEPROM加载到1个4 kB的RAM中,这个4 kB的RAM也可作存储数据用。当进行批量生产时,可要求厂家代理将程序固化到片内,这样可省去EEPROM的费用并进一步减小系统体积。

nRF9E5内置收发器具有与单片射频收发器nRF905相同的功能,可通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器通信。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO(0xA 0)编程进行控制。发射模式(TX)下,最小工作电流仅为9 mA(输出功率-10 dBm),接收(RX)模式下工作电流为12.5 mA,掉电模式下的工作电流仅为 2.5μA[3]。可见,nRF9E5的功耗很低。

nRF9E5使用Nordic V LSI公司的Shock Burst技术(自动处理前缀、地址和CRC),实现低速数据输入,高速数据输出,从而降低了系统的平均能耗。另外,nRF9E5还具有载波检测功能。在Shock Burst接收方式下,当出现nRF905工作信道内的射频载波时,载波检测引脚(CD)被置高。当收发器准备发射数据时,它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲,这是一种简单的传输前监听协议。这一特性很好地避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞。

2 硬件设计

汽轮机热力特性参数无线采集系统主要由主控单元和采集端节点组成。

2.1 主控单元设计

主控单元包括微控制器及射频收发单元、显示单元、电源模块及接口单元,主要硬件连接如图2所示。

图2 主控单元主要部件原理图

本设计中采用的nRF9E5无线模块工作电压为1.9～3.6 V。其中LM 1117是一个稳压器。输出端为3.3 V恒压。图中输出电容对于保持输出电压的稳定性起着非常重要的作用,它提高了回路的稳定性和瞬态响应,确保输出电压的精度在±1%以内。同时LM 1117提供电流限制和热保护,提高了系统的安全性和可靠性。

由于系统的供电电压为3 V,所以显示器件必须是能工作在3 V电压下的液晶模块。DM 12232F是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及122×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示7个半(16×16点阵)汉字。

接口单元是为了方便射频模块和PC的通信,通常可采用RS232接口、USB接口、以太网接口等,其中,RS232接口是目前PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。本设计使用 RS232接口。由于PC系列微机串行口为RS232C标准接口,与输入、输出均采用TTL电平的89C51单片机在接口规范上不一致,因此,TTL电平到RS232接口电平的转换采用AXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片。

2.2 传感器节点设计

采集端节点单元包括微控制器及射频发送单元、电源模块、接口单元、传感器单元。其中,微控制器及射频发送单元、电源模块、接口单元与主控单元的相同。

传感器的任务是将全面的数据传送到数据采集系统,并由数据采集系统将这些数据传送到上位机进行分析和处理。要检测温度必须采用合适的传感器。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件。它的特点是准确度高,灵敏度高,测量范围大,无需参考点。金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属制成。当温度变化时,感温元件的电阻值随温度而变化,通过测量电路(电桥)转换成电压(mV)信号,然后送至AD转换器。

图3 传感器节点原理图

3 软件设计

3.1 通信协议

通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。本系统采用时分多路访问通信技术(TDMA),将点对多点的通信方式转化为点对点的通信。因此必然涉及信源与信宿之间建立通信连接时的地址匹配问题。由于主接收器与数据终端之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误,因此,需要通信协议来保证数据传输的可靠性。nRF9E5只有一种协议格式,如图4所示。