張　妍，胡　彧

(太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所，山西太原　030024)

0　引言

高壓電力設(shè)備作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵，其運行狀態(tài)直接關(guān)乎著整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定[1]。設(shè)備發(fā)生故障，主要是由于設(shè)備運行時間過長或載流量過大，導(dǎo)致接頭部位溫度過高。如未及時發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患，不僅會縮短設(shè)備使用壽命，而且會影響整個電力系統(tǒng)的正常運行，甚至造成重大損失。因此，加強對高壓電力設(shè)備的溫度巡查意義重大。

針對以上問題，文中設(shè)計了一種便攜式智能測溫儀。該儀器采用非接觸式紅外測溫技術(shù)檢測高壓設(shè)備各接頭部位溫度，并通過條碼識別技術(shù)對設(shè)備進行定位，同時利用實時時鐘芯片記錄系統(tǒng)實時時間。最后通過U盤讀寫技術(shù)將各采集數(shù)據(jù)以文本文件格式存儲在U盤中并形成標準數(shù)據(jù)報表，便于查閱。該測溫儀不僅減少了巡查人員工作量，提高了工作效率，而且有效地保證了測溫過程的安全性與檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

1　系統(tǒng)構(gòu)成及功能

該系統(tǒng)主要由紅外測溫模塊、位置信息識別模塊、U盤讀寫模塊以及部分外圍電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上電，觸發(fā)實時時鐘芯片DS1302將實時時間存儲在自身RAM中，并由單片機控制數(shù)據(jù)向單片機的傳送[2]。鍵盤模塊以中斷方式啟動系統(tǒng)各功能模塊的運行，主要包括設(shè)備位置信息的采集與識別、接頭部位溫度的檢測以及對U盤數(shù)據(jù)的讀寫等。紅外測溫由紅外溫度傳感器TS118-3完成，數(shù)據(jù)經(jīng)放大等處理后傳送至單片機進行A/D轉(zhuǎn)換、存儲、顯示及報警。位置信息識別模塊則以DSP為核心，通過圖像處理技術(shù)識別出條碼中的位置信息，并完成信息的傳送與存儲。U盤讀寫模塊是將各測量結(jié)果以文本文件格式存儲于U盤，并形成標準數(shù)據(jù)報表。在對檢測結(jié)果進行顯示時，若發(fā)現(xiàn)結(jié)果有誤，則將結(jié)果刪除并重新進行功能的選擇與執(zhí)行。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該測溫儀采用MSP430F149作為主控制器。MSP430系列單片機采用1．8～3．6 V工作電壓，超低功耗，可尋址范圍達64K．可通過對系統(tǒng)時鐘的設(shè)置，使其具有多種工作模式。同時，芯片內(nèi)部集成了豐富的片上模塊。極低的功耗、高效的處理性能及豐富的片上模塊使該系列單片機成為該設(shè)計的最佳選擇。

2．1紅外測溫模塊

該模塊主要完成設(shè)備溫度的采集與數(shù)據(jù)處理。溫度的采集由紅外溫度傳感器完成，數(shù)據(jù)處理部分則主要通過單片機結(jié)合部分外圍電路來實現(xiàn)對信號的放大、A/D轉(zhuǎn)換以及對異常溫度的報警。

系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器TS118-3進行溫度的檢測。該系列傳感器是基于塞貝克效應(yīng)研發(fā)而成，能夠吸收紅外能量并輸出與溫度成正比的電壓信號。內(nèi)部集成了環(huán)境溫度傳感器，使環(huán)境溫度得到有效補償。傳感器的測溫范圍由處理電路決定，可在不同領(lǐng)域中使用，廣泛應(yīng)用于手持式測溫設(shè)備中。溫度采集電路的原理圖如圖2所示。

圖2　溫度采集原理圖

由于溫度是一個漸變量，故只需對各高壓設(shè)備進行一次溫度采集，這樣不僅滿足測量要求，也極大地降低了系統(tǒng)功耗。傳感器采集觸點溫度與環(huán)境溫度，輸出的電壓信號經(jīng)放大器放大后傳送至單片機的ADC12模塊的模擬信號輸入引腳P6．0、P6．1進行A/D轉(zhuǎn)換及線性化處理等。同時，通過改變滑動變阻器阻值來實現(xiàn)不同的放大系數(shù)以滿足單片機對處理信號的要求。最后將處理結(jié)果與設(shè)定閾值相比較，若超過閾值，則在P6．2引腳輸出一定頻率的方波進行超溫報警。

2．2位置信息采集模塊

該模塊由DSP與單片機共同實現(xiàn)，并通過DSP的主機接口HPI進行通信，實現(xiàn)條碼圖像的采集、處理及信息識別。單片機作為該模塊的邏輯控制器件，主要完成對圖像傳感器的初始化設(shè)置、DSP程序的上載以及圖像的采集與存儲等工作，同時也有效解決了DSP高速存儲與圖像傳感器傳輸速度不匹配問題。條碼圖像的處理與信息識別則由DSP完成，并將結(jié)果送至單片機進行存儲與顯示。位置識別模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　設(shè)備定位模塊結(jié)構(gòu)圖

該模塊采用16位定點數(shù)字信號處理器TMS320VC5509A作為主控芯片，具有體積小、處理速度快、超低功耗等特點，運算速度可達200MIPS[3]。圖像傳感器是該模塊的關(guān)鍵，其成像質(zhì)量直接影響整個模塊的性能。該設(shè)備采用圖像傳感器OV9120。130萬像素，SXGA/VGA格式輸出，最大幀速度可達30幀/s(VGA)[4]。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有接口簡單、靈敏度高、曝光時間短等諸多優(yōu)點，并可直接輸出灰度級數(shù)字信號。

2．3U盤讀寫模塊

U盤讀寫模塊是以USB總線接口控制芯片PB375A為核心，結(jié)合電源模塊、UART通信模塊及USB/SD接口等外圍電路，完成對U盤的讀寫功能。U盤讀寫模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　U盤讀寫結(jié)構(gòu)圖

以PB375A為核心的U盤讀寫模塊是一個簡化的U盤讀寫方案，無需了解USB-HOST底層協(xié)議和FAT文件系統(tǒng)，采用簡單的SPI、UART接口及若干指令便可完成文件的新建、打開/關(guān)閉、讀寫等功能。模塊的工作電壓為5 V，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系統(tǒng)。相比51系列單片機與SL811/CH375構(gòu)成的讀寫系統(tǒng)，該模塊有著極高的性價比。U盤讀寫電路原理圖如圖5所示。

圖5　U盤讀寫原理圖

PB375A芯片內(nèi)部集成了5 V/3．3 V與3．3 V/1．8 V的電源轉(zhuǎn)換模塊，故只需為該芯片提供5 V的工作電源即可實現(xiàn)高效的電源管理。USB接口符合USB1．1全速模式，將USBDP、USBDN直接與USB總線連接，即可實現(xiàn)USB HOST操作。將芯片的TX、RX引腳分別與單片機的P3．7、P3．6連接，可實現(xiàn)與單片機之間的異步串行通信。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件部分的主體是在IAR的開發(fā)環(huán)境下，通過C語言編程實現(xiàn)。其中，以DSP為核心的圖像處理與識別子程序是在CCS集成開發(fā)環(huán)境下，通過C語言編程實現(xiàn)。

3．1溫度采集與報警設(shè)計

單片機控制傳感器對設(shè)備進行溫度的采集，通過按鍵產(chǎn)生的中斷信號啟動溫度傳感器工作，輸出的電壓信號經(jīng)放大后送至單片機ADC12模塊進行A/D轉(zhuǎn)換。分別將ADC12MCTL0、1的INCH位設(shè)置為0000與0001，使P6．0與P6．1為模擬信號輸入通道。同時，將CONSEQ位設(shè)為01，使其采用序列通道單次轉(zhuǎn)換的方式進行A/D轉(zhuǎn)換并將結(jié)果存儲在相應(yīng)的轉(zhuǎn)換存儲寄存器中。通過分析檢測信號與實際溫度的對應(yīng)關(guān)系，編程實現(xiàn)對實際溫度的換算。同時將結(jié)果與設(shè)定閾值相比較，若超過設(shè)定值，P6．2輸出周期性脈沖信號，驅(qū)動蜂鳴器鳴叫報警[5]。表1為該儀器對某高壓電力設(shè)備進行測溫的部分數(shù)據(jù)，其中環(huán)境溫度為29 ℃．

表1　溫度檢測數(shù)據(jù)　℃

由數(shù)據(jù)可以看出，該檢測儀器的溫度測量誤差≤2，滿足高壓設(shè)備對測溫精度的要求。

3．2條碼采集與信息識別設(shè)計

該部分的軟件設(shè)計主要包括單片機對圖像傳感器、DSP的HPI程序上載方式的初始化設(shè)置、條碼圖像的處理與識別。系統(tǒng)上電，單片機通過SCCB總線實現(xiàn)對OV9120相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，同時通過DSP復(fù)位時的GPIO[3：0]各引腳狀態(tài)選取BootLoader方式，完成以HPI方式上載程序[6]。按鍵按下觸發(fā)中斷，攝像頭開始工作，同時單片機發(fā)出開始采集信號，根據(jù)OV9120的HREF、PCLK等同步信號的狀態(tài)判定是否開始采集，采集的同時可將圖像傳送至SRAM存儲。當DSP收到單片機的讀取信號后，即開始讀取數(shù)據(jù)，并完成圖像處理等工作，最終將識別信息送至單片機進行存儲與顯示。QR Code條碼處理與識別流程圖如圖6所示。

圖6　條碼采集流程圖

3．3U盤讀寫設(shè)計

該部分的軟件設(shè)計主要是將單片機中存儲的時間、位置及溫度信息以文本文件格式寫入U盤，同時將寫入結(jié)果進行LCD顯示。PB375A與單片機之間采用串行通信，同時將USART1的控制寄存器的SYNC位設(shè)為0，使兩者進行異步通信，確保兩者具有相同的波特率。按鍵按下產(chǎn)生中斷，單片機首先將命令碼和參數(shù)信息發(fā)送給PB375 A，芯片根據(jù)信息執(zhí)行完相應(yīng)操作后，再以中斷方式返回操作狀態(tài)碼給單片機。該模塊的系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7　U盤讀寫流程圖

利用CMD＿FileCreat命令可新建文件，文件名應(yīng)為8+3格式，且必須為大寫字母或數(shù)字。CMD＿FileOpen命令可打開文件，CMD＿ByteWrite命令可向文件寫入數(shù)據(jù)，CMD＿FileClose命令可關(guān)閉文件，關(guān)閉文件將自動更新文件長度。此外，只有關(guān)閉文件后才會默認有文件生成，才可對其進行接下來的操作[7]。

首次向U盤中寫入數(shù)據(jù)時，要先新建并打開文件，再將數(shù)據(jù)寫入文件中，最后將文件關(guān)閉。若向已有文件中追加數(shù)據(jù)，則要將文件指針移動到文件末尾后再寫入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將寫入U盤的文件讀出并顯示時，要首先打開該文件，再對數(shù)據(jù)進行讀取并存入顯示緩存。

為了能在屏幕上清晰閱讀該文件，在寫入數(shù)據(jù)時，應(yīng)使用空格、回車、換行等字符，為最終形成標準的數(shù)據(jù)報表做準備。U盤中文件的存儲內(nèi)容及最終的標準數(shù)據(jù)報表分別如圖8、圖9所示。

圖8　U盤存儲文件

圖9　標準數(shù)據(jù)報表

4　結(jié)束語

該方案以單片機和DSP為設(shè)計核心，創(chuàng)新性地將條形碼識別技術(shù)與PB375A U盤讀寫技術(shù)應(yīng)用到紅外測溫儀的設(shè)計中，實現(xiàn)了對被測設(shè)備的定位，并將溫度采集的時間、設(shè)備的位置及溫度信息以文本文件的格式進行存儲，實現(xiàn)了紅外測溫儀的智能化，同時極大提高了高壓電力設(shè)備巡檢過程的高效性與可靠性，具有很好的實用價值與應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]錢祎．基于紅外傳感器的開關(guān)柜溫度在線實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[學(xué)位論文]．南京：南京理工大學(xué)，2009．

[2]洪利，章?lián)P，李世寶．MSP430單片機原理與應(yīng)用實例．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．[3]汪春梅，孫洪波．TMS320C55xDSP原理及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[4]馬飛，馬彥青，駱育，等．基于AVR單片機的智能信息記錄儀設(shè)計．電子元器件應(yīng)用，2010，12(4)：18-20．

[5]黃見，胡順星，馮林，等．基于MSP430F149單片機的大氣環(huán)境CO2探測儀的設(shè)計與實現(xiàn)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(7)：32-34．

[6]宋曉甲．基于嵌入式圖像采集處理的QR碼識別系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)，2010．

[7]袁寶紅，付奎，張德祥．基于FPGA和LabVIEW的USB數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2013 (9)：24-27．