周曉莉，郭文勝

(1.山西工程技術學院，山西 陽泉 045000;2.中國聯(lián)通陽泉市分公司，山西 陽泉 045000)

發(fā)電廠內(nèi)部控制發(fā)電機組運行的一系列開關柜是重要的電器設備，對其觸頭溫度實施在線監(jiān)測尤為重要。設備內(nèi)部要求高低壓隔離使得監(jiān)測裝置朝著非接觸式檢測方向發(fā)展，目前大多采用無線電方式進行傳輸，但也存在著傳感器組網(wǎng)和功耗問題。本文采用低頻喚醒的方式設計無線采集模塊，讓它工作在瞬時發(fā)送，長時休眠的模式下，在低頻喚醒信號中加入地址信息，每次只有效喚醒一個點進行溫度采集，有效避免了多個無線采集模塊同時發(fā)送信息的沖突問題，用時分復用和碼分復用相結合的方式實現(xiàn)了多個傳感器組網(wǎng)。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件設計

觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

每個高壓開關柜有六個觸頭溫度需要監(jiān)測，下位機為置于觸頭臂上的無線采集模塊，主要完成溫度數(shù)據(jù)的采集及無線發(fā)送。上位機為置于高壓開關柜外表面的無線接收模塊，主要完成對應開關柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)接收存儲、液晶顯示及上傳報警。上位機定時發(fā)送125 kHz 低頻喚醒信號，下位機被喚醒后回傳433 M 觸點溫度信息［1］。

測溫模塊中的微控制器采用了TI 公司的16 位超低功耗單片機MSP430F1132，無線收發(fā)芯片采用了TI 公司的極低功耗的單片收發(fā)芯片CC1000。

下位機利用MSP430F1132 內(nèi)部10 位AD 轉(zhuǎn)化模塊與美信公司的MAX6613 低功耗模擬溫度傳感器完成溫度采集和編碼;低頻喚醒部分由低頻喚醒信號接收芯片ATA5283 構成，定時接收上位機發(fā)送的125 kHz 的低頻喚醒信號，被喚醒后啟動CC1000 射頻模塊完成一次溫度采集上傳，其余時間單片機進入休眠狀態(tài)，CC1000 射頻模塊進入掉電模式。電源采用電流感應方式從電力線路上獲取能量，結合穩(wěn)壓器件和超級電容實現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出。

上位機的低頻喚醒部分由低頻喚醒信號發(fā)送芯片ATA5276 構成，結合單片機定時發(fā)送125kHz 的帶有地址信息的低頻喚醒信號，每次喚醒一個下位機，然后接收存儲它上傳的觸點溫度信息，采集完六個下位機的信息后等待PC輪詢時上傳。

1.1 上位機硬件設計

低頻喚醒信號發(fā)送電路如圖2 所示，主要由ATA5276芯片和MSP430F1132 單片機組成。

MSP430F1132 是TI 公司推出的一款的16 位超低功耗單片機，集成了較多的片上外圍資源，包括一個16 位的定時器、10 位速率為200 kbps 的AD 轉(zhuǎn)化器、8K+256B 的FLASH、256B 的RAM，圖2 中所示，MSP430F1132 共有20 個引腳，其中兩個八位并行數(shù)據(jù)接口P1(P1.0—P1.7)、P2(P2.0—P2.5)，這些數(shù)據(jù)接口同時有一些復用功能，如:P1.4—P1.7 復用了下載程序的JTAG 接口［2］。

ATA5276 是Atmel 公司推出的一款用于發(fā)射低頻喚醒信號的低功耗芯片。通過外部單片機控制該芯片的一個“單線雙向”接口(DIO pin)就能將能量和數(shù)據(jù)通過天線線圈發(fā)射出去，頻率為125 kHz，ASK 調(diào)制方式。圖2 中DIO 引腳與單片機的P2.2 腳連接，當DIO 引腳變?yōu)榈碗娖綍r，低頻喚醒信號發(fā)送模塊發(fā)送125 kHz 低頻喚醒信號，發(fā)送完成后，單片機的P2.1 腳如果能捕獲到DIO 引腳發(fā)出的負脈沖信號就可以確認發(fā)送成功，否則重新發(fā)送;當DIO 引腳變?yōu)楦唠娖綍r，不發(fā)送任何喚醒信號［3］。

圖2 低頻喚醒發(fā)送電路

1.2 下位機硬件設計

低頻喚醒接收端電路如圖3 所示，主要由ATA5283 芯片和MSP430F1132 單片機組成。

ATA5283 是Atmel 公司推出的一款適合于125 kHz 低頻信號的低頻喚醒接收芯片，休眠電流為1 μA，工作電流2 μA，工作電壓2～3.6 V。數(shù)據(jù)速率可達4 kbps，ASK 調(diào)制方式。ATA5283 芯片的1 腳接LC 并聯(lián)諧振電路輸入125 kHz 低頻信號，6 腳N_DATA 接單片機I/O 口接收數(shù)據(jù)，7 腳N_WAKEUP 接單片機TACLK 口用于喚醒單片機。該芯片對125 kHz 信號的接收靈敏度為1 mV，當LC 電路感應出的峰值電壓大于1 mV 時，ATA5283 的7 腳N_WAKEUP 端被拉低，單片機被喚醒，開始采集其6 腳NDATA 端的輸出數(shù)據(jù)，采集完成后單片機輸出一個高電平信號給ATA5283 的5腳使其復位，然后單片機進入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。

MSP430F1132 的P2.2 腳接MAX6613 傳感器的模擬數(shù)據(jù)輸出端，利用單片機內(nèi)部10 位AD 轉(zhuǎn)化模塊完成溫度信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3 低頻喚醒接收電路

2 軟件設計

2.1 上位機軟件設計

上位機低頻喚醒發(fā)送流程圖如圖4 所示。

MSP430 單片機上電初始化后，P2.2 腳設為低電平，對應DIO 為高電平，當發(fā)送數(shù)據(jù)時P2.2 腳變?yōu)楦唠娖?，DIO 腳變?yōu)榈碗娖健Ｊ紫劝l(fā)送8 位序列頭信號，延時1 ms 后發(fā)送16 位數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后P2.2 腳變?yōu)榈碗娖?，對應DIO 變?yōu)楦唠娖?，延時約15 ms 后，P2.1 捕獲DIO 反饋的負脈沖確認信號，在CCU 捕獲中斷服務程序內(nèi)獲得該信號下降沿和上升沿的時間差就能判斷出所有的數(shù)據(jù)是否正確發(fā)送。

2.2 下位機軟件設計

ATA5283 芯片初始化后，開始偵聽125 kHz 頻段，當有效喚醒信號出現(xiàn)時，在芯片WAKEUP 引腳輸出高電平喚醒單片機和射頻模塊。單片機進入接收低頻喚醒信號的中斷服務程序，數(shù)據(jù)通信完成后，ATA5283 返回偵聽模式，單片機進入休眠模式，射頻模塊進入掉電模式。

圖4 低頻喚醒發(fā)送流程

本文設計的低頻喚醒信號數(shù)據(jù)速率為1 kbps，每個Bit持續(xù)1 ms，具體格式如表1 所示。

表1 低頻信號格式

具體工作過程:

1)8 ms 的前導碼(Preamble)引起芯片的工作，N_WAKEUP 端被拉低，N_DATA 端也被拉低。前導碼必須大于5.62 ms，這是芯片本身決定的，否則不會被喚醒;

2)N_WAKEUP 端的拉低使得單片機被喚醒;

3)每隔1 ms 采集一次N_DATA 端的數(shù)據(jù)，驗證確認碼的真?zhèn)危苊飧蓴_信號;

4)驗證成功后，每隔1 ms 采集一次，共采集8 次，此為上位機發(fā)送的地址信號;

5)單片機判斷接收完數(shù)據(jù)后，給出一個高電平到ATA5283 的RESET 腳，復位ATA5283 回到待機偵聽模式。

單片機將接收到的地址信息與本機地址比對，若相同就喚醒其它電路完成一次溫度采集發(fā)送，若不同就進入休眠模式。下位機低頻喚醒接收流程圖如圖5 所示。

圖5 低頻喚醒接收流程

MSP430 單片機上電初始化后進入LPM4 休眠模式，低頻喚醒數(shù)據(jù)接收和溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)送在中斷程序中完成。當有輸入信號時，ATA5283 的N_WAKEUP 端被拉低，下降沿觸發(fā)MSP430 進入中斷服務程序，依次采集8 位確認碼和8位ID 信息，比對接收到的地址信息，如果與本機地址相同則啟動CC1000 模塊完成溫度采集發(fā)送，完成后P1.2 給ATA5283 一個正脈沖復位它回到待機偵聽模式。

3 總結

本文將低頻喚醒芯片ATA5276 和ATA5283 用于電廠高壓開關柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，與射頻芯片CC1000 相結合實現(xiàn)了非接觸式溫度監(jiān)測，并使傳感器電路工作在瞬時發(fā)送和長時休眠的工作狀態(tài)，有效降低了傳感器端的功耗，解決了多個傳感器的組網(wǎng)問題。

［1］苑舜.高壓開關設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］何立民.單片機應用系統(tǒng)設計［M］.北京:航空航天大學出版社，1998.

［3］金允霖，趙春宇.應用Atmel 低頻喚醒收發(fā)芯片降低功耗的設計［J］.電子技術應用，2007，33(5):55－58.