低频唤醒式电厂高压开关柜触头温度监测系统设计

2015-11-28周晓莉郭文胜

山西电子技术 2015年1期

周晓莉，郭文胜

(1.山西工程技术学院，山西阳泉 045000;2.中国联通阳泉市分公司，山西阳泉 045000)

发电厂内部控制发电机组运行的一系列开关柜是重要的电器设备，对其触头温度实施在线监测尤为重要。设备内部要求高低压隔离使得监测装置朝着非接触式检测方向发展，目前大多采用无线电方式进行传输，但也存在着传感器组网和功耗问题。本文采用低频唤醒的方式设计无线采集模块，让它工作在瞬时发送，长时休眠的模式下，在低频唤醒信号中加入地址信息，每次只有效唤醒一个点进行温度采集，有效避免了多个无线采集模块同时发送信息的冲突问题，用时分复用和码分复用相结合的方式实现了多个传感器组网。

1 系统工作原理及硬件设计

触头温度监测系统框图如图1 所示。

图1 温度监测系统框图

每个高压开关柜有六个触头温度需要监测，下位机为置于触头臂上的无线采集模块，主要完成温度数据的采集及无线发送。上位机为置于高压开关柜外表面的无线接收模块，主要完成对应开关柜内的温度数据接收存储、液晶显示及上传报警。上位机定时发送125 kHz 低频唤醒信号，下位机被唤醒后回传433 M 触点温度信息［1］。

测温模块中的微控制器采用了TI 公司的16 位超低功耗单片机MSP430F1132，无线收发芯片采用了TI 公司的极低功耗的单片收发芯片CC1000。

下位机利用MSP430F1132 内部10 位AD 转化模块与美信公司的MAX6613 低功耗模拟温度传感器完成温度采集和编码;低频唤醒部分由低频唤醒信号接收芯片ATA5283 构成，定时接收上位机发送的125 kHz 的低频唤醒信号，被唤醒后启动CC1000 射频模块完成一次温度采集上传，其余时间单片机进入休眠状态，CC1000 射频模块进入掉电模式。电源采用电流感应方式从电力线路上获取能量，结合稳压器件和超级电容实现稳定的电能输出。

上位机的低频唤醒部分由低频唤醒信号发送芯片ATA5276 构成，结合单片机定时发送125kHz 的带有地址信息的低频唤醒信号，每次唤醒一个下位机，然后接收存储它上传的触点温度信息，采集完六个下位机的信息后等待PC轮询时上传。

1.1 上位机硬件设计

低频唤醒信号发送电路如图2 所示，主要由ATA5276芯片和MSP430F1132 单片机组成。

MSP430F1132 是TI 公司推出的一款的16 位超低功耗单片机，集成了较多的片上外围资源，包括一个16 位的定时器、10 位速率为200 kbps 的AD 转化器、8K+256B 的FLASH、256B 的RAM，图2 中所示，MSP430F1132 共有20 个引脚，其中两个八位并行数据接口P1(P1.0—P1.7)、P2(P2.0—P2.5)，这些数据接口同时有一些复用功能，如:P1.4—P1.7 复用了下载程序的JTAG 接口［2］。

ATA5276 是Atmel 公司推出的一款用于发射低频唤醒信号的低功耗芯片。通过外部单片机控制该芯片的一个“单线双向”接口(DIO pin)就能将能量和数据通过天线线圈发射出去，频率为125 kHz，ASK 调制方式。图2 中DIO 引脚与单片机的P2.2 脚连接，当DIO 引脚变为低电平时，低频唤醒信号发送模块发送125 kHz 低频唤醒信号，发送完成后，单片机的P2.1 脚如果能捕获到DIO 引脚发出的负脉冲信号就可以确认发送成功，否则重新发送;当DIO 引脚变为高电平时，不发送任何唤醒信号［3］。

图2 低频唤醒发送电路

1.2 下位机硬件设计

低频唤醒接收端电路如图3 所示，主要由ATA5283 芯片和MSP430F1132 单片机组成。

ATA5283 是Atmel 公司推出的一款适合于125 kHz 低频信号的低频唤醒接收芯片，休眠电流为1 μA，工作电流2 μA，工作电压2～3.6 V。数据速率可达4 kbps，ASK 调制方式。ATA5283 芯片的1 脚接LC 并联谐振电路输入125 kHz 低频信号，6 脚N_DATA 接单片机I/O 口接收数据，7 脚N_WAKEUP 接单片机TACLK 口用于唤醒单片机。该芯片对125 kHz 信号的接收灵敏度为1 mV，当LC 电路感应出的峰值电压大于1 mV 时，ATA5283 的7 脚N_WAKEUP 端被拉低，单片机被唤醒，开始采集其6 脚NDATA 端的输出数据，采集完成后单片机输出一个高电平信号给ATA5283 的5脚使其复位，然后单片机进入休眠状态，等待下次被唤醒。

MSP430F1132 的P2.2 脚接MAX6613 传感器的模拟数据输出端，利用单片机内部10 位AD 转化模块完成温度信息的模数转换。

图3 低频唤醒接收电路

2 软件设计

2.1 上位机软件设计

上位机低频唤醒发送流程图如图4 所示。

MSP430 单片机上电初始化后，P2.2 脚设为低电平，对应DIO 为高电平，当发送数据时P2.2 脚变为高电平，DIO 脚变为低电平。首先发送8 位序列头信号，延时1 ms 后发送16 位数据，发送完成后P2.2 脚变为低电平，对应DIO 变为高电平，延时约15 ms 后，P2.1 捕获DIO 反馈的负脉冲确认信号，在CCU 捕获中断服务程序内获得该信号下降沿和上升沿的时间差就能判断出所有的数据是否正确发送。

2.2 下位机软件设计

ATA5283 芯片初始化后，开始侦听125 kHz 频段，当有效唤醒信号出现时，在芯片WAKEUP 引脚输出高电平唤醒单片机和射频模块。单片机进入接收低频唤醒信号的中断服务程序，数据通信完成后，ATA5283 返回侦听模式，单片机进入休眠模式，射频模块进入掉电模式。

图4 低频唤醒发送流程

本文设计的低频唤醒信号数据速率为1 kbps，每个Bit持续1 ms，具体格式如表1 所示。

表1 低频信号格式

具体工作过程:

1)8 ms 的前导码(Preamble)引起芯片的工作，N_WAKEUP 端被拉低，N_DATA 端也被拉低。前导码必须大于5.62 ms，这是芯片本身决定的，否则不会被唤醒;

2)N_WAKEUP 端的拉低使得单片机被唤醒;

3)每隔1 ms 采集一次N_DATA 端的数据，验证确认码的真伪，避免干扰信号;

4)验证成功后，每隔1 ms 采集一次，共采集8 次，此为上位机发送的地址信号;

5)单片机判断接收完数据后，给出一个高电平到ATA5283 的RESET 脚，复位ATA5283 回到待机侦听模式。

单片机将接收到的地址信息与本机地址比对，若相同就唤醒其它电路完成一次温度采集发送，若不同就进入休眠模式。下位机低频唤醒接收流程图如图5 所示。

图5 低频唤醒接收流程

MSP430 单片机上电初始化后进入LPM4 休眠模式，低频唤醒数据接收和温度数据采集发送在中断程序中完成。当有输入信号时，ATA5283 的N_WAKEUP 端被拉低，下降沿触发MSP430 进入中断服务程序，依次采集8 位确认码和8位ID 信息，比对接收到的地址信息，如果与本机地址相同则启动CC1000 模块完成温度采集发送，完成后P1.2 给ATA5283 一个正脉冲复位它回到待机侦听模式。