周 珊，蔡長(zhǎng)青

（長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引言

隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集量在不斷增加，這就導(dǎo)致有線(xiàn)傳輸?shù)馁M(fèi)用在日益增長(zhǎng)。而無(wú)線(xiàn)傳輸具有維護(hù)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，因此隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集方式在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

汽輪機(jī)是由很多部件組成的有機(jī)整體，每一部件是否完善，要根據(jù)它們的熱力特性來(lái)判斷?；痣姀S在運(yùn)行時(shí)，熱力特性測(cè)試通常安排在大修前、后各做一次，機(jī)組按照規(guī)定的運(yùn)行條件運(yùn)行，對(duì)汽輪機(jī)熱力特性參數(shù)，如主蒸汽溫度、壓力、流量等進(jìn)行采集，然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出熱力系統(tǒng)的狀況，將兩次值比對(duì)一下，分析各部件是否存在缺陷，并得到汽輪機(jī)的熱耗率、熱效率和各氣缸的熱效率。

現(xiàn)有的熱力特性參數(shù)采集裝置是有線(xiàn)的，火電廠的工作環(huán)境惡劣，溫度非常高，有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置很難合理布線(xiàn)，而且還經(jīng)常被燙壞；試驗(yàn)前布線(xiàn)和試驗(yàn)后拆線(xiàn)即浪費(fèi)大量人力、物力，又浪費(fèi)大量時(shí)間；原始的數(shù)據(jù)采集在測(cè)試時(shí)還需要大量人力進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的記錄。

國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集的研究已經(jīng)開(kāi)展了很多年，在熱力特性無(wú)線(xiàn)測(cè)試方面已經(jīng)取得了豐碩的成果（如油田輸油管道溫度測(cè)試、陶瓷窯爐溫度測(cè)試、鍋爐水溫測(cè)試、工業(yè)多點(diǎn)溫濕度測(cè)試等等），但關(guān)于火電廠實(shí)驗(yàn)這方面的研究還不多見(jiàn)。國(guó)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)有無(wú)線(xiàn)方式應(yīng)用在火電廠中的，但價(jià)格和服務(wù)不能滿(mǎn)足中國(guó)的實(shí)際國(guó)情。

為了改進(jìn)有線(xiàn)熱力特性數(shù)據(jù)采集裝置的不足，為了實(shí)際應(yīng)用方便，以及填補(bǔ)一下無(wú)線(xiàn)熱力特性采集方面的空白，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的汽輪機(jī)無(wú)線(xiàn)熱力特性測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能夠更好地完成汽輪機(jī)熱力特性參數(shù)的無(wú)線(xiàn)采集，并使設(shè)備更加靈巧、經(jīng)濟(jì)、可靠。

1 汽輪機(jī)無(wú)線(xiàn)熱力特性測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 通信方案選擇

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是有線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也是技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)潮流的需求?；痣姀S的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，電磁干擾大；數(shù)據(jù)傳輸就在廠房?jī)?nèi)所要求的傳輸距離比較短。針對(duì)火電廠的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇了抗干擾能力比較強(qiáng)的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

目前，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、IEEE 802.11b（Wi－Fi）、Zigbee、紅外通信技術(shù)IRDA（Infrared Data Association）和單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片技術(shù)。對(duì)比這幾種技術(shù)的特點(diǎn)，選擇了單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片技術(shù)作為本系統(tǒng)的通信方案。

單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信模塊一般使用單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通信模塊通常包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用戶(hù)只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)連接。

對(duì)比各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的常用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的特點(diǎn)，本測(cè)試系統(tǒng)選用挪威Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的RF芯片nRF9E5。其內(nèi)置nRF905 433／868／915MHz收發(fā)器、配置了8051兼容微控制器和4路輸入10位80ksps A／D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片。nRF905可以工作于Shock－Burst（自動(dòng)處理前綴、地址和CRC）方式。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN5X5mm封裝，載波檢測(cè)。nRF9E5不僅外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，而且它的硬件設(shè)計(jì)可以盡量降低數(shù)字電路間的干擾，滿(mǎn)足在電廠復(fù)雜的電磁環(huán)境下信息采集、傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與主控單元均使用nRF9E5，這樣傳感器節(jié)點(diǎn)與主控單元間形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路；若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸采用了星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于各節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一地址，主控單元能夠選擇相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于受控狀態(tài)，從而能夠有條不紊地傳送數(shù)據(jù)。

1.2.2 各組成部分的作用

1.2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

火電廠中，主蒸汽溫度是汽輪機(jī)熱力特性的一個(gè)重要熱工參數(shù)，傳感器測(cè)量元件主要用于對(duì)汽輪機(jī)主蒸汽溫度進(jìn)行采集，因此，傳感器部件往往工作在較惡劣的環(huán)境下，如熱電偶和熱電阻經(jīng)常工作在具有腐蝕和流體沖刷的環(huán)境中。一般大型汽輪機(jī)大修間隔長(zhǎng)達(dá)5a以上，故要求測(cè)溫元件能夠連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間更長(zhǎng)。因此，要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的高精度和可靠性，就必須采用合適的測(cè)溫傳感器。目前，鉑熱電阻測(cè)溫范圍已經(jīng)由650℃提高到850℃，測(cè)溫精度以及可靠性也都有了很大的提高，同時(shí)價(jià)格較低，因此，我們采用鉑熱電阻作為測(cè)溫傳感器。

鉑熱電阻以金屬鉑作為感溫元件，是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件。它的特點(diǎn)是：線(xiàn)性度好、測(cè)量準(zhǔn)確、互換性好、抗振動(dòng)沖擊的性能好。鉑熱電阻的使用溫度范圍是－200～850℃。鉑熱電阻傳感器檢測(cè)到汽輪機(jī)主蒸汽溫度信號(hào)后，由調(diào)理電路將電阻信號(hào)變送為標(biāo)準(zhǔn)的0～5V模擬信號(hào)，然后用nRF9E5模塊上的4路12位快速A／D轉(zhuǎn)換器將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。nRF9E5內(nèi)置的nRF905采用Nordic VL－SI Shock Burst技術(shù)，使nRF9E5之間能夠進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 第N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2.2 主控單元

主控單元設(shè)計(jì)成手持設(shè)備，由接收機(jī)接收各傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的汽輪機(jī)熱力參數(shù)并匯總，送給主控單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理，顯示以及和上位機(jī)通信。nRF9E5的8051內(nèi)核是增強(qiáng)型的51單片機(jī)內(nèi)核，完全能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理。

由于模塊上的I／O很少，串行的DM12232F液晶模塊將是本設(shè)計(jì)顯示裝置的最佳選擇。通過(guò)nRF9E5模塊上的通用I／O口傳輸給DM12232F液晶模塊顯示，與MCU的連接為串行方式，只需要3根數(shù)據(jù)線(xiàn)，有效地避免了端口不足的問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)采用PC機(jī)作為上位機(jī)，系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信接口為異步串行總線(xiàn)RS－232。RS－232主要用來(lái)定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間接口的電氣特性。RS－232標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)有25條信號(hào)線(xiàn)，目前PC機(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的RS－232接口，且都是9針的“D”型連接器，因此本文串行通信接口也采用9針的“D”型連接器。

圖3 主控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2 汽輪機(jī)無(wú)線(xiàn)熱力特性測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)程序

相對(duì)于匯編語(yǔ)言和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用C語(yǔ)言對(duì)8051系列單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)具有一定優(yōu)勢(shì)：控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件簡(jiǎn)單、不必編寫(xiě)太多底層函數(shù)、控制程序相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)占用系統(tǒng)大量的運(yùn)行時(shí)間。因此，本系統(tǒng)單片機(jī)的程序采用了C語(yǔ)言編制了無(wú)線(xiàn)通信程序、顯示程序和節(jié)點(diǎn)采集程序。

2.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)是應(yīng)用VB進(jìn)行編寫(xiě)的，它把下位機(jī)傳送上來(lái)是兩字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼顯示出來(lái)。當(dāng)點(diǎn)擊采集溫度時(shí)，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集溫度命令字符“00”，當(dāng)下位機(jī)接受到命令時(shí)，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。使用VB6.0編寫(xiě)上位機(jī)程序，接收溫度數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中；接收數(shù)據(jù)時(shí)，能同步畫(huà)出溫度變化的曲線(xiàn)，系統(tǒng)可查詢(xún)歷史溫度信息。

圖4 上位機(jī)軟件

3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

火電廠內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，干擾因素很多，因此系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性及安全性成為一個(gè)比較突出的問(wèn)題。影響單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)的內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境等方面。為使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，進(jìn)行了抗干擾的設(shè)計(jì)。

硬件抗干擾是系統(tǒng)抗干擾的很重要的一個(gè)方面，合理的硬件電路設(shè)計(jì)可以削弱或抑制大部分干擾。本系統(tǒng)采取的硬件抗干擾措施主要有電源抗干擾和合理的接地設(shè)計(jì)。

采用硬件干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。本系統(tǒng)采取的軟件抗干擾措施主要有看門(mén)狗、軟件陷阱、指令冗余。

4 總結(jié)

火電廠中汽輪發(fā)電機(jī)熱力特性測(cè)試試驗(yàn)對(duì)火電廠的正常運(yùn)行是十分重要的。現(xiàn)有的測(cè)試試驗(yàn)多數(shù)采用有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集方式，試驗(yàn)手段煩瑣，測(cè)試周期長(zhǎng)，為此本文提出了一套完整的基于nRF9E5數(shù)據(jù)采集模塊的汽輪機(jī)熱力特性測(cè)試試驗(yàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案。

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件調(diào)試之后，模擬火電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境人為設(shè)置干擾進(jìn)行了綜合調(diào)試。通過(guò)調(diào)試使該系統(tǒng)工作在電廠復(fù)雜的電磁環(huán)境下，其無(wú)線(xiàn)部分有較強(qiáng)的抗干擾能力和高效的數(shù)據(jù)傳輸方式：模塊載波檢測(cè)設(shè)置可以有效地防止數(shù)據(jù)碰撞，同時(shí)nRF9E5內(nèi)置的nRF905使nRF9E5能夠進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。此系統(tǒng)具有低功耗、低成本、測(cè)點(diǎn)多、便于擴(kuò)展、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

［1］曾喜慶，王強(qiáng)，楊杰.Nrf9E5與SPI接口的軟硬件解決方案［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（1）：4－5.

［2］張大蹤，楊濤，魏東梅.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（5）：10－14.

［3］曹英杰，路克杰，梁志國(guó).模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計(jì)量測(cè)試現(xiàn)狀及其前景［J］.航空科學(xué)技術(shù)，1998（1）：25－28.

［4］沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術(shù)［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1990：3－7.

［5］盛超華，陳章龍.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用［J］.微型電腦應(yīng)用，2005（6）：10－13.

［6］李春杰，劉瑞霞.基于一種新型嵌入式系統(tǒng)級(jí)芯片的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（3）：36－38.

［7］王鵬，孫玉國(guó)，衛(wèi)敏.基于nRF9E5的步進(jìn)電機(jī)無(wú)線(xiàn)控制器設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器，2010，32（6）：62－65.

［8］閆曉強(qiáng)，崔秀波.基于NRF9E5的軋機(jī)扭矩遙測(cè)系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（25）：107－108.

［9］岳洋，黃明.基于nrf9E5設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，32（10）：129－132.

［10］韓磊.基于nRF9E5的陶瓷窯爐溫度測(cè)量系統(tǒng)研究［D］.淄博：山東理工大學(xué)，2009.