基于DSP的声表面波温度测量系统的设计

何海国，王佳，金晓芬

（国网浙江长兴县供电公司，浙江长兴313100）

经验交流

基于DSP的声表面波温度测量系统的设计

何海国，王佳，金晓芬

（国网浙江长兴县供电公司，浙江长兴313100）

应用声表面波传感器设计了一种基于数字信号处理器的无线无源温度测量系统，介绍了声表面波传感器测温原理。整个系统包括信号控制模块、温度测量模块、液晶显示模块3个部分。该系统具有功耗低、抗干扰能力强、可靠性高和可多点探测等优点，可应用于高压开关柜的实时温度监测。

数字信号处理器；声表面波；温度测量；传感器

电力系统的故障多数是由设备运行温度过高导致，所以对设备的温度进行监测是十分有必要的，现在已经应用于高压开关柜测温的方式且技术相对成熟的有红外测温和光纤测温。红外测温易受环境因素影响（如空气中的灰尘），并且当被测物体为光亮或者抛光的金属表面时，测温读数偏差较大。光纤测温则因为光纤设备造价高昂、易折断且布线困难等缺点限制了其广泛应用。

SAW（声表面波）测温是近年来新兴的一项测温技术，SAW传感器是一种无线无源的传感器，与之前的有源无线传感器相比，没有复杂的布线，不用频繁地更换电池，受外界恶劣环境的影响也更小，具有安装灵活、成本低、测量稳定、可靠性高的特点。

基于DSP（数字信号处理技术）的声表面波温度测量系统主要应用于高压开关柜的温度在线监测，可以在现场直接查看开关柜多点的温度以及温度变化曲线，同时还可以设置测量周期等参数而无需回到监控室进行操作，方便灵活，大大提高了巡查人员的工作效率。

1 系统总体设计

测温系统由型号为TMS320F2812的DSP芯片、TFT（薄膜场效应晶体管）液晶屏、按键、SAW温度传感器及温度采集器组成。DSP与温度采集器通过RS232连接，DSP与PC（个人计算机）机通过RS485连接，温度采集器与SAW传感器则通过天线发射电磁波进行通信。

系统的工作过程为：DSP向温度采集器发送测温指令，温度采集器通过天线向SAW传感器发射一定频率的电磁波，传感器接收到电磁波信号后，将信号进行处理，之后再以电磁波的形式发送回温度采集器，温度采集器将携带温度信息的指令传给DSP，经DSP处理后在液晶屏上显示实时温度和历史曲线，通过DSP与PC通信，可以在PC上读取测量到的温度信息。系统总体结构见图1。

图1 系统总体结构

2 硬件设计

2.1 温度采集模块

SAW温度传感器由压电基片、声反射栅、叉指换能器和天线组成[1]，其工作原理是利用声表面波在外界温度发生变化时，波速会随之变化的特点，通过叉指换能器和声反射栅将波速的变化量转化为谐振频率的偏移量，根据频率的变化计算出被测物体的温度[2]。如图2所示，测得频率与温度呈线性的关系。

图2 SAW传感器频率温度曲线

2.2 液晶屏显示模块接口设计

系统显示部分选用的是4.3寸16位并口TFT彩色液晶显示屏，分辨率为480×272，具有内置字库和触摸功能。

DSP与液晶屏的接口设计为总线方式，即处理器的8080总线直接与液晶屏接口相连，无需考虑接口时序。使用时将液晶屏的16根数据总线与DSP的16根数据总线直接相连，液晶屏的数据/命令选择线RS与DSP的地址线A0相连，液晶屏的片选线CE、写信号线WR和读信号线RD则分别与DSP存储空间Zone2的片选线XZCS2、读信号线XWE和写信号线XRD相连。为了对液晶屏的字库芯片进行读取，液晶屏中与字库相关的时钟CLK、输出DOUT和输入DIN需要连接SPI模块中的SPI时钟SPICLK、SPI主输入从输出SOMI和SPI主输出从输入SIMO，字库片选FCS则连接DSP中的GPIOF3，用以在读取字库时将字库片选信号拉低。此外液晶屏的复位RST和触摸屏片选TCS分别与DSP中的GPIOF6和GPIOF7相连，用来控制液晶屏的复位，并在不需要触摸屏功能时将触摸屏片选信号拉高[3]。DSP与液晶屏的接口连接如图3所示。

图3 DSP与液晶屏接口连接

2.3 按键控制电路设计

系统中除电源开关以外的按键均由DSP进行独立控制，设计中需要使用7个独立的按键，分别是“设置”、“确认”、“返回”以及4个方向键上下左右。所有按键均采用查询方式进行判断，只要DSP检测到相应的端口为低电平，就判断有按键被按下。按键控制电路的硬件设计如图4所示，由于DSP的GPIO引脚自带上拉功能，因此无需使用上拉电阻。

图4 按键控制电路

3 软件设计

3.1 串口通信程序设计

使用TMS320F2812的SCI（串行通信接口）与传感器进行通信[4]。处理器在通信时会涉及到通信协议，F2812的SCI模块采用的是NRZ（不归零）数据编码格式，带有格式信息的每一个数据字符称作一帧，每一帧字符包括1个起始位、1～8个数据位、1个奇偶校验位和1～2个结束位。除此之外，串行通信还需要对波特率进行设置，当DSP与其他设备之间进行SCI串行通信时，两者在数据格式和波特率上必须做到完全一致，只有这样通信才能获得成功。表1、表2为SAW传感器的报文协议表。

表1 由16个字节构成的报文协议指令

表2 M SID的构成

系统用到的命令符主要有：2B hex，表示执行测温命令；2C hex，表示执行校验命令；11 hex，表示执行储存命令。

DSP的SCIA通过MAX232芯片转成RS-232接口，完成DSP与温度采集器的通信。SCIB通过MAX485芯片转成RS-485接口，接口完成DSP与上位机的通信。SCI通信的工作过程如下：首先SCI接收引脚接收到数据，并进入SCI接收中断，之后接收首字符，并判断该字符是否是正确的起始码，如果是，则保存之后的有效数据并进行分析，准备好要发送的数据进入SCI发送中断，并将数据送入发送引脚。SCI串口通信的子程序流程如图5所示。

图5 串口通信子程序流程

3.2 液晶显示程序

DSP对液晶屏的控制是通过SPI（串行外围设备接口）来进行的。使用时将SPI的工作模式设置为主机工作模式，单次发送的字符长度设置为8位，时钟极性设置为上升沿接收数据，下降沿发送数据，由此便可以实现对字库芯片的读取。

液晶屏的指令集共有7个指令，分别是设置行地址（0x20）、设置列地址（0x21）和写入数据（0x22），以及字库一般读取（0x03）、字库快速读取（0x0B）、触摸屏读X坐标（0x90）和触摸屏读Y坐标（0xD0），所有复杂的写字和画图操作均以这7个指令为基础得到。当RS为0时表示写指令，当RS为1时表示写数据。

液晶屏写指令或数据的工作过程如下：程序开始后，首先液晶屏的片选线CE被拉低，并判断RS的值，如果RS=0，则液晶屏写指令；如果RS=1，则液晶屏写数据，随后DSP将要发送的指令或数据送入数据线，并将写信号线WR拉低后再拉高，以写入相应的指令或数据，最后液晶屏的片选线CE被拉高。液晶屏写子程序的流程如图6所示。

图6 液晶屏写子程序流程

4 现场试验

现场试验中把测量天线置于高压开关柜外1.5 m处，把6个传感器探头固定在开关柜内待测点处，设置测量周期位1 min，最高报警温度为85℃，最大温度变化为10℃。还需设置校验温度，用于排除环境温度对测量值的影响[5]。测量的具体结果如表3所示。

经过试验结果表明，系统运行良好，温度测量误差范围控制在±1℃内，对于高压开关柜内的温度检测，可以满足其精度要求。图7为测量时系统的显示界面。

表3 SAW传感器实测值与标准值对照表

图7 系统实测界面

5 结语

对新兴的声表面波测温技术进行了介绍与分析，并使用DSP芯片F2812作为控制模块，TFT液晶屏为显示模块，控制声表面波传感器完成校验、测温、存储、数据显示等一系列工作，实现了对监测点温度的实时监测与温度值的存储、温度阀值设置与报警、监测点温度实时显示及与上位机的通信功能。

系统电路结构简单、体积小、测量精度高、无线无源，抗干扰能力强，能解决高压开关柜的实时温度监测问题。

[1]李平，文玉梅，王军峰，等.声表面波谐振器的时域响应特性研究[J].压电与声光，2003，25（2）∶87-90.

[2]胡兰芳.声表面波器件频率温度特性研究[J].四川师范大学学报（自然科学版），2001，24（4）∶363-366.

[3]石建国，邓春健.二级驱动的串行TFT-LCD显示终端设计[J].液晶与显示，2011，26（1）∶73-77.

[4]顾卫钢.手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

（本文编辑：陆莹）（本文编辑：杨勇）

Design of SAW Temperature M easurement System Based on DSP

HE Haiguo，WANG Jia，JIN Xiaofen
（State Grid Zhejiang Changxing Power Supply Company，Changxing Zhejiang 313100，China）

SAW（surface acoustic wave）temperature sensor is used to design a wireless passive temperature measurement system based on DSP（digital signal process）.The paper introduces temperature measurement principle of SAW sensor.The system comprises three parts∶signal controllingmodule，temperaturemeasurementmodule and LCD displaymodule.The system，with itsmultiple advantages such as low power consumption，excellent anti-interference ability，high reliability and multi-pointmeasurement，can be applied to realtime temperaturemeasurement of high-voltage switch cabinet.

DSP；SAW；temperaturemeasurement；sensor

TK311

B

1007-1881（2016）01-0066-04

2015-09-25

何海国（1978），男，助理工程师，技师，主要从事变电检修工作。