葛士斌，張志博，鄭恩明，孫長(zhǎng)瑜，余華兵

(1．中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京　100190；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，電力設(shè)備熱量不能及時(shí)散開(kāi)，容易造成設(shè)備熱跳閘；當(dāng)導(dǎo)體材料溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成材料軟化、機(jī)械性能下降；當(dāng)有機(jī)絕緣材料溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成絕緣性能下降。總之，溫度是影響電力設(shè)備工作性能的重要因素[1-2]。

目前針對(duì)電力設(shè)備溫度測(cè)控已有許多設(shè)備問(wèn)世。從監(jiān)測(cè)手段來(lái)看，有基于無(wú)線技術(shù)的溫度測(cè)控裝置[3-4]，有利用光纖技術(shù)的溫度測(cè)控裝置[2，5-6]；從實(shí)現(xiàn)手段上看，有利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的測(cè)控裝置[7]，也有利用ARM實(shí)現(xiàn)的測(cè)控裝置[8]。但是目前的溫度測(cè)控裝置往往存在布線復(fù)雜、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。

基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線測(cè)溫裝置(Temperature measurement system with wireless communication，TMSWC)用于測(cè)量電力設(shè)備的工作溫度和環(huán)境溫度。該裝置可實(shí)時(shí)檢測(cè)電力設(shè)備的溫度狀況，并根據(jù)檢測(cè)狀況及時(shí)將意外情況傳至上位機(jī)，具有高度自動(dòng)化特點(diǎn)；該裝置的溫度測(cè)量模塊通過(guò)無(wú)線協(xié)議將數(shù)據(jù)傳至溫度收集單元，無(wú)需布線，簡(jiǎn)化了整個(gè)無(wú)線測(cè)溫裝置的布線工作；無(wú)線測(cè)溫裝置的溫度收集單元通過(guò)MODBUS協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，可靠性強(qiáng)。

1　系統(tǒng)整體組成

整個(gè)無(wú)線測(cè)溫裝置由溫度測(cè)量模塊、溫度收集單元、上位機(jī)軟件三部分構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1　無(wú)線測(cè)溫裝置系統(tǒng)組成圖

上位機(jī)主要是無(wú)線測(cè)溫裝置上位機(jī)軟件。上位機(jī)主要完成溫度數(shù)據(jù)接收、顯示、存儲(chǔ)、分析以及溫度收集單元控制參數(shù)更改、下發(fā)工作，其中溫度數(shù)據(jù)的上傳和控制參數(shù)的下發(fā)均通過(guò)MODBUS協(xié)議完成。

溫度收集單元(Temperature collection unit，TCU)，是整個(gè)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的核心裝置，后續(xù)章節(jié)中分析的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)均是針對(duì)該部分進(jìn)行的。溫度收集單元首次開(kāi)機(jī)界面如圖2所示。溫度收集單元主要有液晶顯示功能、按鍵操作功能、存儲(chǔ)功能。液晶顯示功能包括顯示溫度測(cè)量模塊采集的溫度數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境溫濕度等，且該功能支持多級(jí)菜單；按鍵操作功能主要完成參數(shù)調(diào)整、菜單選擇等；存儲(chǔ)功能完成溫度測(cè)量模塊采集數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。

圖2　溫度收集單元開(kāi)機(jī)界面

溫度測(cè)量模塊主要完成溫度的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換及采集數(shù)據(jù)傳輸。

2　溫度收集單元的硬件設(shè)計(jì)

2．1溫度收集單元的硬件結(jié)構(gòu)

從硬件角度來(lái)看，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的溫度收集單元主要有MSP430單片機(jī)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、Flash存儲(chǔ)芯片、LCD液晶屏、電源模塊、串口通信模塊、時(shí)鐘芯片。溫度收集單元的硬件組成如圖3所示。

圖3　溫度收集單元硬件結(jié)構(gòu)

2．2主控模塊

溫度收集單元的主控模塊是16位的MSP430F149單片機(jī)。該款單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集，且具有多種的尋址方式；在運(yùn)算速度方面，它可以在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高達(dá)125ns的指令周期。另外，MSP430單片機(jī)還具有低功耗、工作穩(wěn)定、片上外圍設(shè)備豐富等特點(diǎn)[9]。

在溫度收集單元中，MSP430單片機(jī)的主要工作有：通過(guò)中斷控制方式(UART串口中斷)被動(dòng)接收來(lái)自無(wú)線網(wǎng)關(guān)的溫度數(shù)據(jù)；遵循MODBUS協(xié)議通過(guò)UART串口中斷被動(dòng)接收來(lái)自上位機(jī)的命令；主動(dòng)讀取來(lái)自時(shí)鐘芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)；通過(guò)LCD驅(qū)動(dòng)將溫度數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)送至LCD液晶屏顯示；經(jīng)過(guò)SPI將溫度數(shù)據(jù)送至Flash芯片存儲(chǔ)；遵循MODBUS協(xié)議，通過(guò)RS-485將溫度數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。

2．3數(shù)據(jù)顯示部分

溫度收集單元數(shù)據(jù)顯示部分采用的是SMG12864ZK液晶顯示屏。該屏幕是單色屏，分辨率為128×64，顯示尺寸為66.5 mm×33.22 mm，接口方式為8為并口。數(shù)據(jù)顯示電路圖如圖4所示。

圖4　溫度收集單元數(shù)據(jù)顯示電路

MSP430單片機(jī)采集到溫度數(shù)據(jù)后送到該液晶屏實(shí)時(shí)顯示。另外用戶還可以通過(guò)屏幕查詢包括系統(tǒng)時(shí)間、報(bào)警溫度等在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)，以及存儲(chǔ)在Flash內(nèi)的溫度歷史數(shù)據(jù)。

2．4溫度存儲(chǔ)部分

溫度收集單元溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用的是2片AT45DB642芯片。AT45DB642是串行接口的Flash芯片，工作電壓為2.5～2.7 V，支持SPI串行接口。其64Megabit的存儲(chǔ)空間分為主存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。溫度收集單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖5所示。

圖5　溫度收集單元溫度存儲(chǔ)電路

MSP430單片機(jī)采集到溫度數(shù)據(jù)后送到該液晶屏實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)送至Flash芯片進(jìn)行存儲(chǔ)。用戶可以通過(guò)溫度收集單元和上位機(jī)查詢、刪除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制和剪切。

3　溫度收集單元的軟件設(shè)計(jì)

3．1軟件系統(tǒng)

溫度收集單元的軟件系統(tǒng)包括程序初始化，實(shí)時(shí)顯示各溫度測(cè)量模塊測(cè)量的溫度值，包括系統(tǒng)時(shí)間、曲線參數(shù)在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)以及報(bào)警溫度的設(shè)置，存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)的刪除，存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)的查詢等功能。

上述各功能通過(guò)多級(jí)菜單實(shí)現(xiàn)[10-11]，溫度測(cè)量模塊采集溫度實(shí)時(shí)顯示作為主菜單，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)刪除、數(shù)據(jù)查詢作為主菜單的二級(jí)菜單，各個(gè)二級(jí)菜單根據(jù)各自需求下設(shè)三級(jí)、四級(jí)菜單。溫度收集單元各級(jí)菜單關(guān)系圖如圖6所示。

溫度收集單元中的多級(jí)菜單通過(guò)函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。利用函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)多級(jí)菜單具有編程架構(gòu)簡(jiǎn)單、各菜單間耦合程度低的特點(diǎn)。

通過(guò)圖6可以看出軟件設(shè)計(jì)工作主要針對(duì)溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢等和參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行的。下面兩小節(jié)主要介紹溫度數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置的軟件設(shè)計(jì)工作。

圖6　溫度收集單元各級(jí)菜單關(guān)系圖

3．2溫度數(shù)據(jù)有關(guān)操作軟件設(shè)計(jì)

溫度收集單元軟件設(shè)計(jì)中與溫度數(shù)據(jù)有關(guān)的操作有溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、刪除。其中主要工作有中斷處理(定時(shí)器中斷、UART串口中斷)、按鍵操作、Flash芯片讀寫(xiě)、液晶屏顯示。而歷史溫度數(shù)據(jù)顯示涉及按鍵操作、讀Flash芯片、液晶屏顯示等溫度數(shù)據(jù)操作中的大部分工作，是溫度數(shù)據(jù)有關(guān)操作軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其邏輯流程圖如圖7所示。

圖7　歷史溫度數(shù)據(jù)顯示邏輯流程圖

3．3參數(shù)設(shè)置軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置是溫度收集單元軟件設(shè)計(jì)工作的另一項(xiàng)重要工作。該部分的主要工作有按鍵操作和液晶顯示。報(bào)警溫度設(shè)置與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置類似，這里介紹系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，其邏輯流程圖如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)參數(shù)邏輯流程圖

4　無(wú)線測(cè)溫裝置通信協(xié)議

無(wú)線測(cè)溫裝置中的通信協(xié)議主要包括溫度測(cè)量模塊與溫度收集單元間的無(wú)線傳輸協(xié)議、溫度收集單元與上位機(jī)之間的MODBUS協(xié)議[12-13]。無(wú)線傳輸協(xié)議功能相對(duì)簡(jiǎn)單，僅實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量模塊向溫度收集單元傳遞溫度數(shù)據(jù)這一單向、單功能通信。而MODBUS協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)溫度收集單元與上位機(jī)間的雙向、多功能通信。在此重點(diǎn)介紹MODBUS通信協(xié)議。

MODBUS協(xié)議是世界上第一個(gè)真正實(shí)際用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，是由MODICON在1979年發(fā)明的。MODBUS協(xié)議定義了1個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元，1個(gè)通用MOSBUS幀由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)、差錯(cuò)校驗(yàn)4部分構(gòu)成。通過(guò)MODBUS協(xié)議控制器相互之間、控制器經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)和其他通信設(shè)備間可以相互通信。

無(wú)線測(cè)溫裝置采用MODBUS的RTU傳輸模式，該模式下數(shù)據(jù)單元的地址域占1個(gè)字節(jié)，因此MODBUS尋址有256個(gè)不同地址，其中地址0為廣播地址，所以1個(gè)系統(tǒng)中最多支持255個(gè)溫度采集模塊。

MODBUS協(xié)議有3類功能碼，分別是公共用戶功能碼、用戶自定義功能碼、保留功能碼。無(wú)線測(cè)溫裝置中使用的功能碼均是用戶自定義功能碼，各功能碼定義如表1所示(表中功能碼用十進(jìn)制表示)。

表1　無(wú)線測(cè)溫裝置MODBUS協(xié)議功能碼定義表

表1中所列的7個(gè)功能就是MODBUS協(xié)議在無(wú)線測(cè)溫裝置中完成的功能。上位機(jī)和溫度收集單元作為通信雙方，其中上位機(jī)為主機(jī)，向溫度收集單元發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元，溫度收集單元作為從機(jī)根據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元生成響應(yīng)數(shù)據(jù)單元返回給上位機(jī)。請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元和響應(yīng)數(shù)據(jù)單元的生成和發(fā)送都是在MODBUS協(xié)議規(guī)則下進(jìn)行的。下面以讀系統(tǒng)參數(shù)為例說(shuō)明請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元和響應(yīng)數(shù)據(jù)單元的格式。讀取參數(shù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元格式表2所示。

表2　讀取參數(shù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元

表2以讀取系統(tǒng)參數(shù)為例給出了請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元的格式。其中“功能碼”表示該次操作的目的；“讀取參數(shù)數(shù)目”表示該次請(qǐng)求要求返回的系統(tǒng)參數(shù)的個(gè)數(shù)；“參數(shù)1起始地址”表示要求返回的第1個(gè)參數(shù)在溫度收集單元內(nèi)的存儲(chǔ)地址；“參數(shù)1字節(jié)數(shù)”表示參數(shù)1的大小(用字節(jié)表示)。與表2對(duì)應(yīng)的讀取參數(shù)的響應(yīng)數(shù)據(jù)單元如表3所示。

表3　讀取系統(tǒng)參數(shù)響應(yīng)數(shù)據(jù)單元

表3以讀取系統(tǒng)參數(shù)為例給出了響應(yīng)數(shù)據(jù)單元的格式。其中“功能碼”表示該次操作的目的；“返回參數(shù)數(shù)目”表示溫度收集單元本次返回給上位機(jī)的參數(shù)數(shù)目；“參數(shù)1字節(jié)數(shù)”表示參數(shù)1的大小(用字節(jié)表示)；“參數(shù)1的值”表示系統(tǒng)參數(shù)1的當(dāng)前取值。其余6項(xiàng)功能的請(qǐng)求數(shù)據(jù)單元與響應(yīng)數(shù)據(jù)單元的格式與“讀取系統(tǒng)參數(shù)”類似。

通信協(xié)議是無(wú)線測(cè)溫裝置的核心部分，無(wú)線通信協(xié)議免除了溫度測(cè)量模塊與溫度收集單元間的連線，是整個(gè)系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單；MODBUS協(xié)議將上位機(jī)和溫度收集模塊緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的異地操作。

5　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

基于MSP430的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)目前已實(shí)現(xiàn)且通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。無(wú)線測(cè)溫裝置實(shí)物圖如圖9所示。圖中從左到右依次為溫度測(cè)量模塊、溫度收集單元、上位機(jī)軟件。

圖9　無(wú)線測(cè)溫裝置系統(tǒng)實(shí)物圖

無(wú)線測(cè)溫裝置的核心溫度收集單元實(shí)物，如圖10所示。圖10是溫度收集單元的正面圖，從該圖中可以清晰的看到各溫度節(jié)點(diǎn)的溫度、當(dāng)前時(shí)間等要素。

圖10　溫度收及單元實(shí)物圖

通過(guò)對(duì)整個(gè)無(wú)線測(cè)溫裝置的硬件和軟件的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和調(diào)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：

(1)溫度的測(cè)量及模數(shù)轉(zhuǎn)換；

(2)溫度值經(jīng)無(wú)線通信有測(cè)量模塊傳至收集單元；

(3)溫度在溫度收集單元實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、本地存儲(chǔ)、報(bào)警處理；

(4)溫度收集單元支持系統(tǒng)參數(shù)修改(包括報(bào)警閾值、系統(tǒng)時(shí)間等)；

(5)上位機(jī)遵循MODBUS協(xié)議通過(guò)RS-485獲取溫度收集單元的溫度值、修改溫度收集單元的系統(tǒng)參數(shù)。

6　結(jié)論

以MSP430單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)溫裝置分為溫度測(cè)量模塊、溫度收集單元、上位機(jī)軟件3部分。該裝置集溫度采集，溫度本地顯示、存儲(chǔ)，溫度遠(yuǎn)距離傳輸，溫度異地顯示、存儲(chǔ)等功能于一體，具有配線簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)?；跓o(wú)線測(cè)溫裝置已在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試，上述各項(xiàng)功能均能正常實(shí)現(xiàn)。

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