摘 要：介紹了一種基于無(wú)線的高壓輸變電節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量的系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該溫度測(cè)量系統(tǒng)中溫度探頭的軟硬件設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)采取TI公司MSP430系列單片機(jī)加nRF905無(wú)線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)，軟硬件的設(shè)計(jì)符合溫度探頭的低功耗和耐高壓、高低溫的設(shè)計(jì)要求。最后，就溫度探頭的功耗分析給出了其測(cè)量方法和測(cè)試結(jié)果。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取無(wú)線傳輸和電池供電方式，解決了傳統(tǒng)高壓線節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)紅外槍檢測(cè)的問(wèn)題。該測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)在高壓輸變電系統(tǒng)上得到了運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：高壓輸變電系統(tǒng)；溫度測(cè)量；nRF905；MSP430F1XX

Temperature Measurement Design of High Voltage Change and Convey System Based on Radio

ZOU Yingquan

(School of Electric Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China)

Abstract：Temperature measurement of high voltage change and convey system design based on radio is introduced，hardware and software design of the tag of temperature measurement that is an important part of the temperature measurement system is discussed in detail.The design of temperature measurement tag fulfilled the claim for low power，high voltage enduring，low and high temperature enduring.The method of power measurement and the result of the system designed are presented.The problem of temperature measurement of high voltage change and convey system is solved.And the system has been applied.

Keywords：high voltage change and convey system；temperature measurement；nRF905；MSP430F1XX



1 引 言

隨著科技進(jìn)步及工農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，人民生活水平不斷提高，用電量大幅上升，對(duì)電網(wǎng)供電安全性、可靠性提出了越來(lái)越高的要求。高壓輸變電系統(tǒng)的負(fù)荷日益加重，由于未采用有力的監(jiān)測(cè)防患措施，高壓輸變電系統(tǒng)在大電流運(yùn)行中由于各種原因引發(fā)的發(fā)熱方面的故障率一直居高不下，特別是在高溫高負(fù)荷期間，由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)或輸變線觸頭(接點(diǎn)）過(guò)熱引起的事故時(shí)有發(fā)生。本文提出的基于無(wú)線的高壓輸變電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)就是基于這樣一個(gè)應(yīng)用背景而設(shè)計(jì)，它能對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭和室外的高壓輸變電線路節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)報(bào)警。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。測(cè)溫系統(tǒng)由溫度探頭、溫度監(jiān)測(cè)器、控制中心三個(gè)部分組成。溫度探頭放置在高壓開(kāi)關(guān)柜和輸變電線路的節(jié)點(diǎn)上，將檢測(cè)的溫度信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到溫度監(jiān)測(cè)器，一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器可以管理至多100個(gè)溫度探頭，溫度監(jiān)測(cè)器將收到的溫度探頭的溫度信息通過(guò)ModBus總線送到控制中心，控制中心由計(jì)算機(jī)和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的測(cè)溫系統(tǒng)管理軟件組成。一個(gè)控制中心可以管理255個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器。本文重點(diǎn)介紹其中的溫度探頭的軟硬件設(shè)計(jì)。溫度探頭的設(shè)計(jì)需能同時(shí)適應(yīng)室內(nèi)的開(kāi)關(guān)柜和室外的高壓輸變電傳輸線環(huán)境，所以溫度探頭設(shè)計(jì)采用電池供電和無(wú)線傳輸形式。硬件電路和軟件電路的設(shè)計(jì)必須考慮如何實(shí)現(xiàn)低功耗、如何適應(yīng)惡劣的高壓、強(qiáng)工頻磁場(chǎng)環(huán)境以及無(wú)線傳輸距離問(wèn)題。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

溫度探頭硬件電路由溫度傳感器、單片機(jī)、無(wú)線傳輸模塊及電池組成如圖2所示。下面先分別對(duì)這4個(gè)模塊所選器件作簡(jiǎn)單介紹。

2.1 溫度傳感器

考慮到溫度探頭是電池供電，所以選擇溫度傳感器時(shí)需選擇溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間短，電流小的器件。通過(guò)選擇比較，AD7814符合設(shè)計(jì)要求，AD7814內(nèi)部有10 b的溫度到數(shù)字轉(zhuǎn)換器；溫度測(cè)量范圍：-55 ～+125 ℃；SPI總線接口；具有省電模式；溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間25 μs；溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的電流250～400 μA；低功耗時(shí)工作電流0.43～1 μA。

2.2 單片機(jī)

TI公司的MSP430系列單片機(jī)在電池供電系統(tǒng)中的應(yīng)用有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，考慮到IO口數(shù)量和體積問(wèn)題，最終選擇TI公司的MSP430F2111作為主控制器。該單片機(jī)是16位單片機(jī)，它有4種低功耗工作模式，其中低功耗模式三(LPM3）的工作電流只有不到1.2 μA。另外，單片機(jī)內(nèi)部有頻率可到16 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘。

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊主要由Nordic公司的nRF905及其外圍電路構(gòu)成。nRF905是一款收發(fā)一體化的無(wú)線接收芯片，工作電壓為1.9～3.6 V，可工作的頻帶范圍為430～920 MHz，芯片內(nèi)自帶調(diào)制解調(diào)器，發(fā)送時(shí)自動(dòng)打包數(shù)據(jù)，接收時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)地址匹配、CRC校驗(yàn)。發(fā)送或接收完畢后，其DR引腳會(huì)自動(dòng)置為高電平，以表示發(fā)送或接收完畢。nRF905具有SPI總線接口，具有極低功耗，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA，掉電狀態(tài)電流僅為2.5 μA。nRF905共有4種工作模式，分別為低功耗模式、SPI編程模式、接收模式和發(fā)送模式。其工作模式由CPU控制其三個(gè)引腳TRX_CE、TX_EN和PWR_UP的高低電平?jīng)Q定。

2.4 電池

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，溫度探頭必須能夠在-20～80 ℃環(huán)境下正常工作，所以電池的溫度特性要非常好，容量要大。經(jīng)過(guò)比較選擇，采用容量為1 200 mAh的鋰-亞硫酰氯(Lithium Thionyl Chloride，Li-SOCl2)電池(3.6 V），該電池的主要特點(diǎn)如下：

(1) 基本參數(shù)：電池標(biāo)稱電壓3.6 V，重量比能量700 Wh/kg，體積比能量1 380 Wh/L；

(2) 使用溫度范圍寬：電池使用溫度-55~+85 ℃；

(3) 自放電率低、儲(chǔ)存期長(zhǎng)：年自放電率1%，儲(chǔ)存期10年以上；

(4) 安全性能好：電池在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生爆炸；

(5) 環(huán)保：電池中不含汞、鎘、鉛等有害重金屬，無(wú)污染。

2.5 溫度探頭工作過(guò)程

單片機(jī)與AD7814和nRF905的硬件連接圖如圖2所示。AD7814通過(guò)SPI總線與單片機(jī)相連，單片機(jī)通過(guò)SPI總線完成對(duì)AD7814的讀寫(xiě)操作。nRF905的狀態(tài)信號(hào)CD，控制信號(hào)TXEN，TRX_CE，PWR_UP，SPI總線信號(hào)CSN，SCK，MOSI，MISO分別與單片機(jī)IO口相聯(lián)。單片機(jī)通過(guò)模擬SPI總線完成對(duì)nRF905的操作。單片機(jī)的外部采用32.768 kHz晶體作為系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘。

圖2 原理圖

2.6 高壓屏蔽

溫度探頭要能夠在高達(dá)22 kV高壓環(huán)境下正常工作，為了避免高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響，設(shè)計(jì)時(shí)用銅皮將除了天線以外的電路完全屏蔽，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試22 kV環(huán)境下能夠正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了更省電，軟件設(shè)計(jì)時(shí)，溫度探頭只向溫度監(jiān)測(cè)器發(fā)送信息而不接收監(jiān)測(cè)器數(shù)據(jù)，即單向傳輸。系統(tǒng)上電后，程序首先作單片機(jī)初始化，初始化包括：IO口初始化(輸入口，輸出口設(shè)置），時(shí)鐘初始化(單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘工作在16 MHz，作為單片機(jī)主時(shí)鐘，外部32.768 kHz時(shí)鐘作為定時(shí)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘），單片機(jī)初始化完成后，程序進(jìn)入傳感器AD7814和無(wú)線收發(fā)芯片nRF905初始化，初始化完成后，程序進(jìn)入低功耗模式三(LPM3），等待定時(shí)器中斷。此時(shí)單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘停振，只有外部時(shí)鐘和定時(shí)器工作。定時(shí)器每隔1 s中斷一次，定時(shí)器中斷后，單片機(jī)自動(dòng)退出低功耗工作方式，并自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘，軟件啟動(dòng)溫度傳感器AD7814采集溫度，并等待溫度采集完成，讀取溫度數(shù)據(jù)后，判斷溫度變化是否超出2 ℃，如果超出則將溫度和標(biāo)簽號(hào)通過(guò)nRF905發(fā)送給溫度監(jiān)測(cè)器，溫度監(jiān)測(cè)器將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus總線發(fā)送給管理計(jì)算機(jī)用于報(bào)警和數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)。

軟件程序分為二部分。一個(gè)是主程序，流程圖如圖3(a)所示，另一個(gè)是定時(shí)器中斷服務(wù)程序，流程圖如圖3(b)所示，定時(shí)中斷服務(wù)程序結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)返回低功耗狀態(tài)。

圖3 軟件流程圖

4 功耗分析

功耗是溫度探頭設(shè)計(jì)中最重要的性能指標(biāo)之一，所以設(shè)計(jì)時(shí)功耗的測(cè)量也就非常重要了。

溫度探頭的工作有三個(gè)狀態(tài)：休眠狀態(tài)、溫度檢測(cè)狀態(tài)和無(wú)線發(fā)送狀態(tài)；因此測(cè)量其功耗也就是分別測(cè)量這三個(gè)狀態(tài)的工作電流：休眠電流、溫度檢測(cè)電流、無(wú)線發(fā)送時(shí)電流。

溫度探頭工作過(guò)程為：每隔1 s采集一次溫度數(shù)據(jù)，如果溫度變化不超過(guò)±2 ℃，則每10 min發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)，如果超過(guò)則立即發(fā)送。實(shí)際工作時(shí)，由于檢測(cè)點(diǎn)溫度不會(huì)經(jīng)常變化，因此絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔為10 min。測(cè)試功耗時(shí)時(shí)，采集器的無(wú)線發(fā)送功率設(shè)置為+10 dBm。測(cè)試設(shè)備可選存儲(chǔ)示波器(可選agilent公司546420存儲(chǔ)示波器）和電流表(可選GOSSEN MENRAWATT公司的METRA HIT 28S）。

4.1 測(cè)試方法

如圖4所示，在采集器供電電源上串接10 Ω電阻，用存儲(chǔ)示波器觀察并記錄采集器工作時(shí)，電阻兩端電壓變化，從而測(cè)得采集器各工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，再計(jì)算出其工作電流。

4.2 時(shí)間和電流測(cè)量

(1) 溫度采集時(shí)間

如圖5所示是單片機(jī)只有溫度采集操作時(shí)測(cè)得的電壓變化波形圖。從圖上可以看出每采集一次溫度數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)工作的時(shí)間<1 ms。

(2) 無(wú)線發(fā)送狀態(tài)時(shí)間

如圖4所示，示波器上波形圖是無(wú)線發(fā)送時(shí)電阻兩端的電壓變化波形圖。從圖上可以看出：nRF904發(fā)送一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為<4 ms。

圖4 測(cè)試平臺(tái)整體圖

圖5 溫度采集電壓變化波形圖

4.3 工作電流測(cè)量

(1) 休眠狀態(tài)電流測(cè)量

休眠時(shí)電流非常小，用示波器測(cè)量無(wú)法測(cè)量其變化，改用5位半電流表測(cè)量其電流。修改程序使單片機(jī)的定時(shí)器中斷關(guān)閉，測(cè)量單片機(jī)工作電流，測(cè)量值為1.5 μA，即為溫度探頭的休眠電流。

(2) 溫度檢測(cè)工作電流測(cè)量

如圖5所示波形，取其電壓峰值，計(jì)算得到最大電流為60 mV/10 Ω=6 mA。

(3) 無(wú)線發(fā)送電流測(cè)量

如圖4所示當(dāng)nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電源上的電流最大，最大電流為300 mV/10 Ω=30 mA。

4.4 溫度探頭連續(xù)工作時(shí)間計(jì)算

(1) 先計(jì)算10 min內(nèi)溫度探頭的功耗，單位毫安時(shí)(mAh）

休眠狀態(tài)功耗：