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太原理工大学硕士研究生学位论文 发电厂开关柜触头温度无线式监测系统设计 摘要 近年来，随着发电厂自动化、信息化建设步伐的加快，对控制发电机 组运行的一系列开关柜触头温度的在线监测应运而生，并在企业生产中发 挥着越来越重要的作用。开关柜内结构封闭、电磁环境复杂、高低压设备 隔离等一系列因素要求监测装置朝着非接触式方向发展，监控终端软件朝 着智能化、人性化、与现代通信技术相结合的方向发展。本系统正是顺应 这种趋势，从监控系统的用户需求和功能分析入手，实现了低功耗非接触 式监测和实时可靠的报警处理、方便快捷的信息服务等技术应用要求，最 终为管理人员和技术人员提供了一种良好的决策服务和技术支持。系统总 体由温度检测与无线数传模块、监测主控模块和网络服务模块三大部分组 成，分别实现数据采集、分析处理和网络发布等功能。本文主要完成温度 检测装置和无线数传装置的开发设计。 温度检测装置与无线数传模块主要负责对高压开关柜触头温度数据的 采集和传输，本设计首先分析了工作环境的噪声源及其影响与功耗问题， 根据系统的实际要求采用无线传输方式实现了非接触式监测；采用重复编 码保障了数据的可靠传输。由于非接触式监测的要求，温度检测装置的电 能只能从电力线上感应获得，势必受电力线电流波动大和电量供应不充足 的影响。本设计的温度检测装置采用单工方式，只发不收、间歇工作的模 式最大限度地减少了系统工作时间，从而减少了模块的整体功耗。在设计 电源时加入了超级电容，间歇期可以长时间充电，保证了电路供电的持续 稳定。单工方式的同步问题则利用了三相交流电的过零时刻，提取出同步 信号，用时分复用方式解决了采集三相触头温度数据时的碰撞问题。整个无 线系统采用频分和时分相结合的方式，解决了系统组网问题。 太原理工大学硕士研究生学位论文 根据既定的设计方案制定了无线通信协议，选择了无线收发电路，对 各种电路形式进行了分析、比较完成了硬件电路设计及元件选型，编写及 调试了软件程序，设计制作了p c b 板，最后进行了系统集成调试。多次试 用表明该测温系统能在恶劣的环境下保证多机可靠通信，具有成本低、体 积小、重量轻、耗电少、可靠耐用等特点。 关键词：无线传输，时分复用，温度监测，重复编码 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 h ed e s i g n 0 fw i r e l e ss i e m p e r a t ur em o n i t o 尉时g s y s t e mo ft h es 、i t c hb o xc o n t a c t so f g e n e r a t d 4 gs t a t i o n a bs t r a c t r e c e n t l y , a l o n gw i t he l e c t r i cp o w e rp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e sa u t o m a t i o na n d i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n d e v e l o p i n gf a s t e r , a l l k i n d s o fn e wt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e m sa p p e a ra n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t i o n ar a n g eo f f a c t o r ss u c ha sc l o s e ds t r u c t u r e ，t h ec o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，t h e i s o l a t i o no fh i g ha n dl o wv o l t a g ee q u i p m e n ti nt h es w i t c hc a b i n e t ，t h i sr e q u i r e t h ed e t e c t i o nd e v i c et od e v e l o pi nt h ed i r e c t i o no fn o n c o n t a c ta n dt h et e r m i n a l m o n i t o r i n gs o f t w a r et od e v e l o pi nt h ed i r e c t i o no fi n t e l l i g e n t i z i n g ，h u mb e i n g ， i n t e g r a t i o nw i t hm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss y s t e ma c c l i m a t et h e t r e n da n da c h i e v el o wp o w e rn o n c o n t a c td e t e c t i o n ，r e a l t i m ea l a r mp r o c e s s i n g a n dr e l i a b l e ，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e sf r o mt h em o n i t o r i n g s y s t e mo fu s e rn e e d sa n dt h ea n a l y s i so ff u n c t i o n s i t sf i n a lt a r g e ti st oo f f e rw e l l d e c i s i o n m a k i n gs e r v i c ea n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t t h es y s t e mi sm a d eu po f t e m p e r a t u r em e a s u r ea n dw i r e l e s st r a n s m i t t i n gm o d u l e ，m a i nc o n t r o l l i n gm o d u l e a n dn e ts e r v e rm o d u l e t h e i rf u n c t i o n sa r et o a c c o m p l i s hd a t ac o l l e c t i o n ， a n a l y s i sp r o c e s s i o na n dn e ti s s u a n c ee t c t h i sp a p e ri st oa c c o m p l i s hm a i nt h e d e s i g no ft e m p e r a t u r ed e t e c t i o nd e v i c e sa n dw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nd e v i c e s t e m p e r a t u r ed e t e c t i o nd e v i c e sa n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ei s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h eh i g hv o l t a g es w i t c h b o a r dc o n t a c tt e m p e r a t u r ed a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，t h ef i r s td e s i g no ft h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n d t h e i m p a c to ft h en o i s e s o u r c ea n dp o w e r , i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a l r e q u i r e m e n t so fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nr e a l i z e sn o f l c o n t a c td e t e c t i o n ，r e p e t i t i o n i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o d eg u a r a n t e e st h er e l i a b l et r a n s m i s s i o no fd a t a a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h en o n c o n t a c td e t e c t i o n ，t h ee n e r g yo fat e m p e r a t u r ed e t e c t i o nd e v i c ec a nb e a c q u i r e df r o mt h ee l e c t r i cp o w e rl i n es e n s o r s i ti sb o u n dt ob ea f f e c t e db yt h e p o w e rl i n ef l u c t u a t i o n sa n dt h ec u r r e n ts u p p l yo fe l e c t r i c i t y t h em o d eo f t e m p e r a t u r ed e t e c t i o nd e v i c e sa b o u tt h ed e s i g ni ss i n g l e ，o n l yt r a n s m i t s i o nn o t r e c e i v i n g ，t h ei n t e r m i t t e n tm o d ec a nm i n i m i z et h es y s t e mo fw o r k i n gh o u r s ， t h e r e b y r e d u c et h eo v e r a l l p o w e rc o n s u m p t i o no ft h em o d u l e t h es u p e r c a p a c i t o rp o w e ri sj o i n e di nt h ed e s i g no fp o w e r i n t e r m i t t e n tp e r i o dc a nb e l e n g t h yr e c h a r g e d ，e n s u r i n gt h es u s t a i n e da n d s t a b l ep o w e rt os u p p l yc i r c u i t t h e s i n g l e m o d es y n c h r o n o u sp r o b l e mu s et h r e e p h a s ea l t e m a t i n gc u r r e n ta tz e r o ， s y n c h r o n o u ss i g n a le x t r a c t e du s i n gt d mt os o l u t et h ep r o b l e mo fc o l l i s i o n s d u r i n gt h et h r e e p h a s e c o n t a c t st e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o n t h ew i r e l e s s s y s t e mu s e st h ea s s o c i a t e i v ew a yo ff d m a ，s d m aa n dp o w e rc o n t r 0 1 i t r e s o l v e sp r o b l e m so ft h es y s t e mn e t w o r k i na c c o r d a n c ew i t ht h ee s t a b l i s h e dd e s i g n ，t h i sp a p e rs e t sd o w nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，s e l e c t saw i r e l e s st r a n s c e i v e rc i r c u i t s ，a n a l y s i st h e v a r i o u sf o r m so fc i r c u i ta n dc o m p a r e s ，c o m p l e t e st h eh a r d w a r ec i r c u i t sd e s i g n a n dc o m p o n e n ts e l e c t i o n ，p r o g r a m m e sa n dd e b u g ss o f t w a r ep r o g r e s s s ，d e s i g n s a n dm a k e st h ep c b b o a r d f i n a l l y , i td e b u g st h es y s t e mi n t e g r a t e d l y r e p e a t e d l y t r i a li np o o rc o n d i t i o n sg u a r a n t e et h em u l t i r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s ，l o wc o s t ， s m a l l s i z e ，l i g h tw e i g h t ，l e s sp o w e rc o n s u m p t i o n ，r e l i a b l ea n dd u r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：w i r e l e s st r a n s m i t t i n g ，t d m a ，t e m p e r a t u r em o m t o r , r e p e t i t i o n c o d e i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：闺堕麴日期：弘衫、弓d 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 ： 签名：塑堕壅1日期：趔：竖至旦 导师签名：豸窒! 趔 日期： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对电力系统供电可靠 性的要求越来越高。影响电力系统安全运行的因素有很多，其中一个重要方面是电气设 备自身的安全运行问题。当电气设备长期处于高电压，大电流和满负荷的条件下运行， 其结果导致热量集结加剧，如果不对温升采取有效的监测措施，将会危及电气设备的安 全运行。特别是当电力系统发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电 气绝缘遭到严重破坏，并使电气设备寿命缩短，甚至造成电气设备被烧毁的严重事故。 据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与过热问题有关，因此电气设备温度在 线监测问题已经成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题，是提高电气 设备可靠性的迫切需要，对保障电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义【l j 。 发电厂内的机组工作时需要各个环节协同配合才能有效安全地运行，各种设备的供 电都是通过高压开关柜组实现的。开关柜是发电厂的重要电器设备，如果有其中一个发 生故障而不能及时发现处理，势必影响整个机组的运行，特别是在火力发电厂，一旦机 组停止运行，损失相当惊人。针对发电厂开关柜组数量多、密度大、结构封闭的特殊情 况，开发一套高压开关柜触头温度的在线监测系统就显的尤其重要f 2 】。 1 2 国内外研究现状 目前国内外均有从事电力监控技术开发的公司，一般来说，他们研究的产品功能比 较完善，但也有一些缺点，如国外的产品价格较高，中小用户难以接受；多数公司考虑 市场时都注重软件产品通用性，相对缺少针对性。 根据电力部门关于非接触式监测的要求，开发一套基于无线数据传输的电力监测系 统将是十分必要的。 发电厂开关柜触头温度监测主要有光纤传输、无线电传输、红外检测和示温记录卷 标等几种方式。其中红外检测和示温记录卷标两种方式因使用不便，在实际中很少应用； 太原理工大学硕士研究生学位论文 光纤传输方式虽因可靠性高得到了较为广泛的应用，但其本身易折、易断、不耐高温， 在柜内布线难度较大，更重要的是存在灰尘爬电的可能，不满足非接触监测的要求。红 外检测是非接触式的，但它容易受环境影响【3 1 。 近年来出现了采用无线电传输方式进行温度采集的监测系统，采用无线通讯方式进 行高压隔离和信号传输，其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了高压开 关柜内触点运行温度不易监测的难题，满足了非接触监测的要求【4 】。 无线监测系统在实际应用中也存在一些问题，其中置于开关触头位置处的无线采集 模块的工作稳定性问题是一个最为核心的问题。在实际应用中，该模块的电源常为从电 力线获取能量的电流感应式电源，而该电源获取能量的大小随电力线负荷的变化而变 化，其变化幅度是很大的，因而模块时常会出现供电不足的现象。针对该问题，有人提 出了一些不同的改进方案，其中包括更换电源，改用其它形式的电源，如电池等；也有 人从系统的硬件结构入手，设法降低功耗，如采用低功耗芯片等。本文则在不改变电源 形式的条件下，重点对硬件结构及系统工作模式作了改进，其主要内容为在满足系统数 据采集要求的前提下，让无线采集模块工作在瞬时发送、长时掉电的模式下，最大限度 地减少系统工作时间，从而减少模块的整体功耗。 1 3 系统概述 电力开关触头温度实时监测系统是针对电厂高压开关柜这一具体应用而设计开发 的应用系统。从功能要求上来看，该系统在提供一般性功能的基础上，还实现了短信报 警、g i s 信息查询及网络信息浏览等特定功能；同时必须满足实时性、可靠性及通用性 的要求。从技术应用来看，该系统将是集传感器技术、嵌入式技术、计算机技术、g i s 技术和网络技术于一身的综合应用系纠5 1 。 1 3 1 系统组成及工作原理 本系统主要由温度检测与无线数传模块、监测主控模块和网络服务模块三大部分组 成。其结构如图1 1 所示。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 温度传感器 上 无线模块 工 通信控制器 检测与无线数传模块； 7 一、 、一 i i s a s p s o l 服务器 凸r 1r 凸一 u c 上v c 土 jl 3 r 监测中心 正客户端 i 盔测主控模块 网络服务模域 图i - i 系统总体结构框图 f i g1 1t o t a ls t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f s y s t e m 各模块主要功能为：温度检测与无线数传模块负责对高压开关触头温度数据的采集 和传输，监测主控模块负责对温度数据的分析、处理，网络服务模块负责温度数据信息 的发布。 系统工作原理为：首先由置于开关触头上的温度传感器进行数据采集，而后经无线 方式收集数据并传输到通信控制器，通信控制器对接收到的温度数据及其它一些信息进 行打包并按规定的通信协议发往监测中心，监测中心对接收到的数据进行分析、处理， 并将处理结果记录到数据库中，网络服务器通过访问数据库获取数据为客户端提供服 务，客户以普通浏览器方式进行阅读，了解各测点的温度信息。 1 3 2 温度采集传输简介 目前电厂高压开关柜温度监测主要有光纤传输、红外检测和示温记录卷标三种方 式。本系统采用无线传输方式，该方式可以实现非接触式数据传输，具有安全、可靠和 低成本的特点，并解决了光纤传输存在爬电的危险和红外检测、示温记录卷标操作不便、 性能差的问题。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 2 无线传输方式结构框图 f i g1 - 2s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f w i r e l e s st r a n s m i t t i n gm a n n e r 无线传输方式结构原理如图1 2 所示。 其中温度传感器采用美信公司的m a x 6 6 1 3 低功耗模拟温度传感器，结合单片机内 部1 0 位a d 转化模块完成温度数据转化功能。 检测电路的供电主要有电流感应、化学电池和太阳能电池三种方式。其中电流感应 方式从电力线路本身获取能量，具有廉价、简单等优点，本系统采用这种供电方式。 无线模块采用c c l 0 0 0 无线收发芯片与低功耗的m s p 4 3 0 单片机配合实现了无线数 据传输，该模块主要作用是将携带温度信息的无线电信号送往通信控制器，可起到高压 隔离的作用，比较适合于高压电力开关这种场合。 1 3 3b s 结构简介 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器朋艮务器) 结构是一种相对于c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户 端服务器) 结构而言的网络服务结构模式。 b s 结构原理如图1 3 所示。 图1 3b s 结构框图 f i g1 - 3s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo fb l s 服务器端由w e b 服务器和数据库服务器两部分组成，客户端通过统一的网络地址 以普通浏览器方式访问服务器。客户端不进行应用程序的执行，所有任务均由服务器完 成，系统维护和升级也都在服务器端进行，客户端不做任何改变，从而使系统开发和维 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 护成本大大降低。 本系统的网络服务功能就是采用这种结构，其中数据库服务器与监测主控采用同一 个s q ls e r v e r 服务器，w e b 服务器由 i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) 提供服务，开发 时使用v b s c r i p t 脚本语言编写代码，由内嵌于s 中的a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 提供运 行环境。所有对数据库温度数据的访问都通过服务器来完成，而客户端只以交互的方式 查看结果。 1 4 课题主要内容 本课题涉及的高压开关柜测温系统由两人合作完成，本文主要负责测温装置、无线 数传以及与p c 机之间通信装置软、硬件的设计。因此，本课题我负责的主要工作为以 下几部分： ( 1 ) 高压开关柜测温系统中的触点测温装置的整体设计。 ( 2 ) 高压开关柜测温装置的硬件设计和p c b 板的绘制。硬件设计主要完成感应电 源电路、温度数据的采集电路、无线数传电路以及与p c 机的4 8 5 通信电路。通过p r o t e l 绘制了硬件电路原理图和p c b 图。 ( 3 ) 高压开关柜测温装置的软件设计。本软件由单片机i a rc 语言编写，根据系 统的功能，本软件设有主程序模块、定时处理模块( 包括温度数据采集模块和数据存储 模块) 、无线通信模块以及中断处理等模块。 ( 4 ) 高压开关柜测温装置的软、硬件调试。首先检查硬件电路，无误后，通过仿 真器进行系统的仿真调试，使该硬件系统能够正确、稳定的实现温度数据的采集、存储、 处理、及通信等功能，最后烧录芯片，脱机运行。 ( 5 ) 整个监测系统的联机调试。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体设计 2 1 系统功能及技术指标 发电厂开关柜触头温度在线监测是电力系统正常工作的有效保障，由于开关柜内的 特殊环境要求高低电压隔离，非接触式监测就成为这类检测的内在要求和发展方向。本 文设计的开关柜温度在线监测系统主要运用于发电厂的控制开关组，它采用无线通信技 术，实现了非接触式监测。用户可以在监控室内通过监控终端实时观察设备工作状态， 通过声响报警及时提醒值班人员发现异常告警，也可以通过互联网远程查询或短信通 知，大大提高了工作效率，对保障发电厂设备的稳定工作起到一定的作用。 1 系统功能 本系统把温度传感器直接安装在开关触头上，利用直接接触方式来采集触头温度， 然后通过无线方式将数据发送到安装在开关柜外面的接收装置上。接收装置可以同时接 收多个温度传感器的数据，并且整理保存后通过r s 4 8 5 通信网络发送到后台监控计算 机上，监控终端再进行数据处理和保存，并可以用温度曲线的方式显示以便分析查询。 当温度超过预先设定的上限值时，系统将进行声音报警、屏幕提示、短信报警和远程网 络查询，提醒值班人员进行紧急处理。 2 技术指标 ( 1 ) 系统容量：根据发电厂的机组规模，单台机组运行时最少可以同时监测3 0 面 开关柜，多台机组同时工作时最多可以扩展到1 2 0 面开关柜。 ( 2 ) 温度采集装置自行从电力线上取电，体积小，安装灵活，工作可靠。 ( 3 ) 工作周期：整个系统监测的温度数据动态更新，3 0 面开关柜接入时更新周期 小于1 8 0 秒。 ( 4 ) 操作维护方便：软件方面人机界面友好、操作简便；硬件方面维护检修方便。 ( 5 ) 超温报警方式灵活多样，包括声音、图像、短信、互联网远程查询。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 系统设计方案 整个系统设计时要综合考虑现场环境和技术要求，包括系统的容量、可扩展、实时 性；温度采集装置的低功耗、非接触式；系统组网方式、功率控制、电磁兼容等一系列 因素。以满足开关柜触头温度在线监测这一实际应用。 2 2 1 系统整体结构设计方案 本文设计的温度监测系统主要针对电厂高压开关柜触头温度监测这一具体应用，系 统由三大部分组成：温度监测装置( 下位机) ，数据收集装置( 上位机) ，数据分析处理 装置( p c 机) 。 系统总体功能需求框图如图2 1 所示。 1 号开关柜2 号开关柜n 号开关柜 图2 - 1 模块总体功能框图 f i g2 1t o t a lf u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo f m o d u l e 图2 1 中下位机为置于高压开关柜触头臂上的无线采集装置，完成温度数据的采集 及无线发送功能；上位机为置于高压开关柜外表面的无线接收装置，完成对应开关柜内 六个触头温度数据的无线接收、存储、传输；p c 机则主要实现对通信控制器上传的温 度数据进行分析、显示、记录及报警处理。其中上位机和通信控制器之间通过4 8 5 总线 进行连接。电力系统中存在着强干扰电磁信号。这点对无线数据传输有很大影响，为此 在本设计中使用了重复编码等差错控制技术来解决这一难点。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 下位机设计方案 如图2 2 所示，下位机由感应电源、温度传感器、微控制器、同步信号提取电路、 无线收发电路构成。 图2 - 2 下位机结构框图 f i 醇2s t r u c t u r ed i a g r a mo f l o w e r - e n dc o m p u t e r 工作原理：由于下位机电源是从电力线上感应获得，这就要求整个电路要尽量低功 耗。所以电路工作的设计思想为：单工工作，只发不收；问歇工作，长停短发。具体是 指首先同步信号提取控制电路检测电源电压信号的同一相位( 任一相位均可，如波峰位 置) ，并通过触发分频电路产生一周期性的窄脉冲，用此窄脉冲加至微控制器的外部中 断源输入引脚，从而周期性地使微控制器退出掉电模式。微控制器被唤醒后，在很短的 时间内完成一次数据采集和发送过程，而后继续进入掉电模式。模块进入掉电模式后， 由于功耗很低，此时电源将对储能元件进行较长时间的充电，这样便可提供模块短暂发 送数据时所需的能量，从而可确保系统工作的稳定性。 结合设计低功耗的要求，单片机系统采用了t i 公司的m s p 4 3 0 系列1 6 位超低功耗 单片机，无线收发芯片采用了1 r i 公司的极低功耗的单片收发芯片c c l 0 0 0 。利用 m s p 4 3 0 f 1 1 3 2 内部1 0 位a d 转化模块与美信公司的m a x 6 6 1 3 低功耗模拟温度传感器 完成温度转化功能。每个下位机都有自己固定的本机地址。单片机在自己预定的时间片 内由低功耗模式三( l p m 3 ) 转为工作模式，打开无线收发系统的供电线路，将多次采 集的温度值取平均值，采取重复编码的算法打包，发送给上位机。发送工作完成后，单 片机中断了其他芯片的供电线路，自身转为低功耗模式，等待下次同步信号的到来。 电源采用稳压器件和大容量储能元件，用以提供稳定的工作电压和间歇期内的电能 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 存储。本设计采用超级电容作为电源的储能元件，超级电容体积小、容量大，非常适合 这种应用场合。 数据同步原理及实现： 由于模块只发不收，工作于单工方式，因而上位机无法对无线采集模块进行控制， 这样带来的一个问题就是系统的同步问题，即如何避免下位机同时发送或上位机如何进 行信号识别的问题。 有多种方法可用来解决此问题，如频分、码分等，这里采用时分的方法。具体方法 就是通过检测单个开关柜内三相电力线路的不同相位来获取同步信号，从而在时间上将 三个下位机的发送时间有效地错开【引。 三相电压波形及提取的同步脉冲如图2 3 所示。 u 12- j x 1 f x 飞 0 5 0 _ 4 0 3 0 2 o 1 0 接收信号 强度浈| i i 噱 。 - 一4 3 3 m h z 。 、l+ 8 明m h z 、l 、i 1。 1q 卜 。 。 、q 卜 一1 0 5 1 0 0 - 9 5 - 9 0- 8 5- 8 0 - 7 5- 7 0 坷5j 6 0一5 5 与0 d b m 图3 1 0r s s i 电压与输入功率关系图 f i 醪一10r s s lv o l t a g ev s i n p u tp o w e r 2 l 5 c c l 0 0 0 外围电路如图3 1 1 所示。 图3 - 1 1c c l 0 0 0 外围电路 f i 9 3 - 11e x t e r n a lc i r c u i to f c c l 0 0 0 3 4 同步信号提取控制电路设计 同步信号提取电路如图3 1 2 所示，输入5 0 h z 的5 v 交流电经过由集成二运放组成 的过零检测电路和微分电路产生周期为2 0 m s 的周期窄脉冲，经过整流二极管d 3 半波 整流后，再经过由c d 4 0 4 0 与c d 4 0 6 8 组成的分频电路，分频系数取m = 3 0 0 0 ，所以输 出的是周期为6 0 s 的脉冲信号，最后经过由c d 4 0 1 1 四与非门组成的r s 触发器和两个 非门电路，输出一个周期为6 0 s 的低电平信号给单片机的外部中断，周期性的唤醒单片 机采集温度数据，其余时间可以给电源充电积蓄能量 一 lc a i 5 v d i1 r 1 l m i o 一 9 q x o l 7 匕 s v 与 【 d 6q 2 jj 一一 )匕 nq 3 5 2 = 3 3n 一! 篡，8f - 5 v q 5 2 4 a d 帅l l o n n 寸 lt 苫 i i 一一 q 6 4 1 2 i r 里 7 正 i d 帖 2 同步信号提取电路 fi12s n h r o n o u ss i g a lc i r u i t 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 5r s 4 8 5 转换电路设计 开关柜工作时，三相交流电会产生严重的电磁干扰。上位机系统通过r s - 4 8 5 接口 与通信控制器交换数据。r s 4 8 5 接口采用差分方式传输信号，具有很高的噪声抑制能 力，广泛用于工业通讯中。本电路中采用m a x i m 公司的4 8 5 转换芯片m a x 4 8 5 将单片 机的串行接口转换为r s - 4 8 5 接口。图3 1 3 为r s 4 8 5 转换电路图。 图3 1 3r s 一4 8 5 转换电路 f i 9 3 1 3r s - 4 8 5c o n v e r s i o nc i r c u i t m a x 4 8 5 的2 、3 脚接到单片机的p 2 1 引脚。当p 2 1 输出高电平时m a x 4 8 5 驱动 使能，从单片机送来的串行数据经m a x 4 8 5 转换输出。当p 2 1 输出低电平时m a x 4 8 5 接收使能，a 、b 端的差分信号经转换后送到单片机的串行输入口。 r s 一4 8 5 标准规定接收器门限为2 0 0 m v 。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力， 但同时也带来了一个问题：当总线电压在2 0 0 r n v 之间时接收器输出状态不确定。 由于u a r t 以一个下降沿触发一次接收动作，但是由于电路较长，下降沿不够陡峭， 导致单片机不能产生中断，不能接收数据，影响监控系统工作，必须采取一定措施使单 片机能及时的进入中断。 在本电路中采用一个电路，如图3 1 4 所示，当没有数据时，p 2 2 管脚为低电平， 系统没有中断，当有一个下降沿来到时，三极管截止，p 2 2 电平就会跳变为高电平，引 起单片机中断，开始接收数据。 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 6 电源电路设计 图3 1 4 电平跳变电路 f i 驴- 14v o l t a g ej u m p i n gc i r c u i t 上位机电路中c c l 0 0 0 的工作电压范围是2 1 - - 3 6 v ，而m s p 4 3 0 1 1 3 2 的工作电压范 围是1 8 - - - 3 3 v ，r s - 4 8 5 转换电路工作电压4 v ，为了保证各芯片都有合适的工作电压， 要求电源至少能输出两路不同的电压。电路如图3 。1 5 所示。 图3 1 5 上位机电源电路 f i 9 3 15p o w e rc i r c u i to f u p p e r - e n dc o m p u t e r 电源电路以3 3 v 三端稳压器s p x l l l 7 m 3 3 3 为核心。s p x l l l 7 m 3 3 3 是s i p e x 公 司生产低压差( l d o ) 稳压芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。 s p x il1 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在4 - 1 以内，具有很低 的静态电流，在满负载时其压差仅为1 1 v 。当输出电流减少时，静态电流随负载变化， 并提高效率。此外，还具有电流限制和热保护功能，可广泛应用在一些高效率，小封装 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的低功耗设计中，如：手持仪表、数字家电和工业控制领域1 2 8 1 。 s p x l l l 7 m 3 3 3 输出的4 v 电压，一路供给r s 4 8 5 转换电路工作，另一路串联一个 二极管得到约3 3 v 的电压供给c c 1 0 0 0 工作。 为了确保s p x l l l 7 m 3 3 3 的稳定性以及减小输出电压的纹波系数，在电源输入端加 入了由l 1 、c 1 构成的l c 滤波电路，输出端加入了c 2 、c 4 、c 5 等滤波电容。 下位机电流感应式电源提供5 v 和3 3 v 直流电源输出，如图3 1 6 所示，交流电经 过桥式整流电路后送入7 8 0 5 ，稳出5 v 直流电给同步信号提取电路的l m 3 5 8 、c d 4 0 4 0 、 c d 4 0 1 1 芯片供电，再经过s p x l l l 7 输出3 3 v 电源给单片机和c c l 0 0 0 电路供电，同时 单片机的p 2 5 引脚控制着b s l 7 0 的通断，即c c l 0 0 0 电路的供电线路。当下位机进入 休息时间片时，就会控制b s l 7 0 断开，以实现整体低功耗。超级电容c 4 、c 5 、c 6 利 用休眠时间积蓄的能量可以为发送数据提供稳定可靠的电源。 图3 1 6 下位机电源电路 f i 醪一1 6p o w e rc i r c u i to f l o w e r - e n dc o m p u t e r 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章无线测温系统软件设计 4 1 下位机软件设计 下位机软件部分主要由睡眠计算程序、数据编码程序、数据发送程序、初始化程序、 数据收发中断处理程序、主程序组成。所有程序都用i a rc 语言来完成。 4 1 1 睡眠计算程序设计 由于下位机的核心问题在于降低功耗，所以睡眠计算程序设计要配合硬件实现最大 的电能节省。睡眠计算程序包括初始睡眠计算程序和循环睡眠计算程序。 下位机的电源为感应电源，所以设备初次接入高压开关柜开关时需要一段时间( 约 1 5 m i n ) 的充电过程来保证以后的正常工作。初始睡眠计算程序就是断开其他芯片的供 电线路使单片机工作在低功耗模式三( l p m 3 ) 中，从而使设备的总耗电量降到了最小 ( 约0 9 u a ) 。 循环睡眠计算程序是初始充电结束后，进入正常的发送循环时设计的降低功耗的程 序。初始充电结束后，单片机配置无线收发系统进入周期工作状态。当同步信号提取电 路记满数后给单片机外部中断一个低电平信号，单片机唤醒所有电路完成一次温度数据 的采集和发送，然后断开其他芯片供电进入低功耗模式等待下一次中断信号，这个循环 周期由同步信号提取电路决定，工频交流电的频率是5 0 h z ，周期是2 0 m s ，分频电路的 分频系数取3 0 0 0 ，就可输出一个6 0 s 的周期信号给单片机中断，触发单片机进入工作状 态采集发送温度数据。 4 1 2 编码程序设计 数据编码过程如下： 1 前导码：t b a g 0 = t b a g 1 = t b a g 2 = t b a g 3 = t b a g 4 = 0 x 5 5 2 起始界定符：t b a g 5 = 0 x 3 3 3 设定温度值：t b a g 6 = t b a g 7 = t b a g 8 = t b a g 9 = t b a g 1 0 - - 采集温度的平均值 4 设定地址值：t b a g 11 】= t b a g 1 2 = t b a g 13 = t b a g 1 4 = t b a g 15 = 本机固有地址 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 3 初始化程序设计 初始化程序的主要任务是上电后对单片机和c c l 0 0 0 的内部功能寄存器设置初值。 初始化单片机包括如下内容： ( 1 ) 设置a d 转化模块：打开a 3 通道，在p 2 4 输出2 5 v 的参考电压，开启内核， 使能中断 ( 2 ) 设置看门狗：使看门狗定时器工作在看门狗模式，周期为6 4 m s ( 3 ) 设置开关：p 2 5 输出低，接通其他芯片的电源线路 初始化c c l 0 0 0 是利用单片机通过三线制串口给其相应寄存器赋初值。 4 1 4 收发中断处理程序设计 本设计中c c l 0 0 0 的数据收发模式选用同步曼彻斯特码模式。c c l 0 0 0 的d c l k 引 脚接到单片机的p 1 6 引脚上，在收发数据时d c l k 根据设定的波特率输出相应频率的 同步脉冲。d c l k 脉冲在下降沿时触发单片机的p 1 口中断，单片机进入中断后要对发 送或接收的数据进行处理。图4 1 为数据收发中断处理流程图。 发送数据时，一旦中断被触发，单片机将要发送的下一个b i t 送到d i o 口。每发送 出一个b i t ，要判断发送缓存区的数据是否已经被发完，若发完则置位发送结束标志 7 1 。 接收一帧数据必须按下面的步骤来完成。 ( 1 ) 寻找前导码。每接收到一个b i t 将其移入滑动寄存器中，然后判断滑动寄存器 中的值是不是等于0 x 5 5 或0 x a a 。如果连续移入4 个b i t 滑动寄存器中的值都等于0 x 5 5 或0 x a a ，则说明找到前导码了，可以进入下一步。 ( 2 ) 继续移入数据，并判断滑动寄存器中的值是不是等于0 x 3 3 。如果是则说明找 到起始界定符了，可以进入下一步。否则继续移入数据。若移入4 0 个b i t 还没找到起始 界定符，则说明接收出错，返回上一步。 ( 3 ) 从这一步起开始保存数据。滑动寄存器每移满8 个b i t ，将其保存在接收缓存 区里。每一个字节要判断接收缓存区是否已满，若满了则置位接收结束标志。 2 7 太原理工