（通信与信息系统专业论文）高压线路无线测温系统及感应电源的设计.pdf

太原理- 大学硕士研究生学位论文 高压线路无线测温系统及感应电源的设计 摘要 温度是电力系统一个重要的参数，电力系统的一些故障常常导致某些 关键部位温度的异常升高，温度过高又会使系统各组成部分的性能下降， 甚至导致电力系统设备的损坏，严重影响电力系统的正常工作。及时准确 地测出电力系统内部关键点的温度对及时发现并排除系统潜在的故障有重 要的意义。 在高压电力系统中，其温度在线监测的困难在于温度数据的传输和高 压测温装置工作能量的获取。在现有的电力测温系统中主要采用的是有线 数据传输的方式，一般为光纤或电缆，这种有线方式不仅结构复杂，而且 传输距离受到物理条件限制不会太远。而高压测温装置的电源同样至关重 要，既要稳定又要有足够长的使用寿命，在现有系统中，一般采用电流感 应或电池供电的方式给系统供电，但前者受电流的影响剧烈，随着用户用 电量的变化电源提供的能量也有剧烈变化，而电池供电虽然不受高压设备 的影响，但受电池的寿命的局限性，不可能定期停电为系统更换电池，所 以采用电池供电同样不是最佳选择。 针对以上问题，本文首先提出了将无线数传技术用于电力系统温度监 测设备中，对测温系统整体结构进行设计，该系统以超低功耗m s p 4 3 0 系列 单片机为核心，结合无线收发芯片c c l 0 0 0 ，将温度数据以无线的方式传输 给数据接收单片机( 上位机) ，当上位机接收到温度数据之后，会通过4 8 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 总线实时的将数据传输给总控计算机做进一步处理。该系统采用重复编码 技术，很好地解决了多机工作时的通信冲突问题和工作环境恶劣导致的无 线通信失败问题。本文第二部分就是提出了一种电场感应式供电方法，并 对这种设想进行了详细论证，基本原理就是利用高压线路中携带的高压电 场来获得感应能量，因为高压线路电压恒定不变，所以这种电源具有稳定、 可靠、耐用等优点。 该测温系统的设计成功，将使我国电力系统测温技术得到提高，并达 到电力部提出的“非接触式监测 的要求。经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：电力系统，在线监测，重复编码，温度数据，无线传输 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g no ft h e r e l e s sm o n i t o rf o rh i g hv o i a g e t r a n s m i s s l 0 nl i n ea n dt h ei n d u c t i o np o 砸r a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fp o w e rs y s t e m m o s tf a u l t so ft h e p o w e rs y s t e m c a nc a u s et h eu n u s u a l r i s i n g o ft e m p e r a t u r ea ts o m e k e y p o s i t i o n s o nt h e o t h e r h a n d ，h i g ht e m p e r a t u r ec a n c a u s et h e d r o po f p e r f o r m a n c eo fs y s t e mc o m p o n e n t s ，a n de v e nt h ed a m a g eo fe q u i p m e n to f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h e s ec a ns e r i o u s l ya f f e c tt h en o r m a lw o r ko ft h ep o w e r s y s t e m i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa c c u r a t e l ym e a s u r et h et e m p e r a t u r eo fk e y p o s i t i o n si n s i d ep o w e rs y s t e mi nt i m e b yt h i sw a y , w ec a nf i n da n dg e tr i do f t h ep o t e n t i a lf a u l t so fs y s t e mi nt i m e i nt h eh i g h v o l t a g ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h ed i f f i c u l t yo ft h et e m p e r a t u r e o n l i n em o n i t o r i n gl i e si nt e m p e r a t u r ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ep o w e ro ft h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e v i c ea c c e s s t e m p e r a t u r eo n l i n em o n i t o r i n gi nt h e e x i s t i n gp o w e rs y s t e mi sm a i n l yu s e dd a t at r a n s m i s s i o nc a b l e ，g e n e r a l l yu s e d o p t i c a lf i b e ro rc a b l e ，t h i sc a b l en o to n l yh a sc o m p l e xs t r u c t u r e ，b u ta l s ot h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ew i l ln o tb er e s t r i c t e dt o of a rb e c a u s eo ft h ep h y s i c a l c o n d i t i o n t h ep o w e ro ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td e v i c e si se q u a l l yc r u c i a l ，i t i sn e c e s s a r yt oh a v en o to n l ys t a b l eb u ta l s ol o n ge n o u g hl i f e i nt h ee x i s t i n g s y s t e m ，t h ep o w e ri s c u r r e n ts e n s o ro r b a t t e r ym o s t l y ，b u tt h e f o r m e ri s 太原理j l ：大学硕士研究生学位论文 i m p a c t e db yt h ec u r r e n td r a m a t i c a l l y ，a su s e r sc h a n g ep o w e rc o n s u m p t i o no f e n e r g ya l s o h a v e c h a n g e dd r a m a t i c a l l y ，a l t h o u g hb a t t e r y - p o w e r e d i sn o t i n f l u e n c e db yh i g h v o l t a g ee q u i p m e n t ，b u t 。t h eb a t t e r yi si n f l u e n c e db yt h e l i m i t a t i o n so fb a t t e r yl i f e s oi ti s i m p o s s i b l e t ob l a c k o u tf o rt h er e g u l a r r e p l a c e m e n to fb a t t e r yp o w e r ，s ot h eb a t t e r y p o w e r e di sa l s on o t t h eb e s tc h o i c e i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，a tf i r s tt h i sp a p e rp r o p o s e st ou s et h e w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi nt h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ge q u i p m e n t o fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mu s e su l t r a l o w - p o w e rm s p 4 30m c ua st h e c o r e ，w i t ht h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i pc c i0 0 0 t h et e m p e r a t u r ed a t aw i l l t r a n s m i s s i o nt ot h er e c e i v e rs c mb yw i r e l e s sw a y ，w h e nr e c e i v e rs c mr e c e i v e t h et e m p e r a t u r ed a t a ，w i l lt r a n s m i s s i o ni tt ot h ec o n t r o lc o m p u t e rf o rf u r t h e r p r o c e s s i n gt h r o u g h4 8 5 t h es y s t e ma d o p t st h et e c h n i q u eo fr e p e t i t i o nc o d e ，s o t h a ti tc a ns o l v et h et w op r o b l e m sp e r f e c t l y ：o n ei st h ec o r r e s p o n d e n c ec o n f l i c t b ym a n ym a c h i n e sw o r k i n g ，t h eo t h e ri st h ef a i l u r eo fw i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c e c a u s e db yb a dw o r k i n ge n v i r o n m e n t t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri sp r o p o s e sa f i e l d - i n d u c t i o nm e t h o dt oa c c e s sp o w e ra n dd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i s m e t h o d t h eb a s i cp r i n c i p l ei st oo b t a i ne n e r g yb ys e n s i n gh i g h v o l t a g ee l e c t r i c f i e l df r o mt h eh i g h v o l t a g el i n e s ，a sh i g hp r e s s u r el i n ev o l t a g ei sc o n s t a n t i t sa p o w e rw i t ht h ea d v a n t a g e so fs t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，d u r a b i l i t y t h es u c c e s sd e s i g n a t eo ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mn o to n l y i m p r o v e st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi ne l e c t r i cs y s t e mi no u rc o u n t r y ， l v 太原理i 。人学硕斗j 研究生学f 论文 b u ta l s oa c h i e v e st h er e q u i r e m e n to f ”n o n c o n t a c tm o n i t o r i n g ”p r o p o s e db yt h e m i n i s t r y i tt u r n e do u tb yt r i a la n de r r o rt h a tt h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nc a n g u a r a n t e et h e r e l i a b l e c o r r e s p o n d e n c e o fm a n ym a c h i n e su n d e rt h eb a d e n v i r o n m e n t i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ：l o wc o s t ，s m a ll v o l u m e ，li g h tw e i g h t ， l i t t l ec o n s u m p t i o n ，r e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y ，e t c k e y w o r i ) s ：p o w e rs y s t e m ，o n l i n em o n i t o r i n g ，r e p e t i t i o nc o d e ，t e m p e r a t u r e d a t a ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n v 声明户明 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：塑! 全垒日期：塑垒塑簟旦 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：型全鳖日期： 导师签名：荔主! 星茎 日期： 栅叁芏同如自 锄叼子。f 亏o 么形拶、f 歹以 太原理 ：人：z 顺 j 研冗l 伊论文 第一章概述 1 1 电力系统设备的发热与故障 存r 乜力系统巾处于j 下常运i j 二状态的电力i 父备，l j 二f u 路的损f 毛，。部分的咆能转化 为热能，使设备发热。当电力设备发生缺陷( f n l 接f | i 虫性能小良) 或放障时，缺陷部位或关 键部他的温度将f i ：发热的增大而急剧地j j 升。 缸力改备的发热也括q t i j i 损耗引起的发 热、介质损耗引起的发热、铁芯磁路故障引起的发热以及j 它开常的发热l lj 。 由p = ，2 尺知道，接触f lt i i 的增大会引起r 乜路损耗的增，：，从币j 使接触点的发热增 加。设备的导电接点或触点，不论是松动还足接触j i ( j s 降低都会引起接触电阻的增大。 电阻的增大引起局部的过热，温度升高又会加速接触佰i 金属的氧化，从而进一步增大接 触电阻，这样就形成r 个恶性循环，使局部温度急别5 1 。高造成事故。 电介质在交流电压作用下产生能量损耗即为介质损耗，介质损耗与电压的平方、角 频率以及介质损耗角的正切值成正比。介质损耗的增大一般是由下介质的老化、劣化、 受潮等原因引起的。 ， 铁芯磁路故障主要表现为磁回路不正常，主要包括矽钢片绝缘受损或机械损伤造成 的局部磁短路和电网中的高次谐波和过压引起的过励磁。这些故障引起磁路饱和、磁滞 损耗和涡流损耗增大，从而造成的发热增大。 除了以上几种情况，其它的异常发热包括绝缘子发热、绝缘老化、- 丁r 裂或进水受潮 或局部放电引起的发热，电压分布不均匀或泄露电流过大造成的发热，因充油设备缺油 或油路堵塞引起的温度分布异常等【2 1 。从e 面分析可以看出，电力系统的故障常常会引 起系统内某些关键部位温度的异常升高，反过术，系统在过高的温度下运行会造成设备 力学性能、物理化学性能和电气性能的劣化。如果不及时诊断并排除故障，则这些故障 会逐渐发展演变，最终恶化而形成事故或使设备损坏，从而影响整个电力系统的i f 常工 作，甚至造成巨大损失。因此，及时、准确地测出电力系统内各个关键点的温度对于发 现并排除系统的故障具有重要意义。 太k i 理| 人4 j j 。贞1 h j i 宄t 。z fh i ， 论文 1 2 测温系统的研究现状 f - | i ，j f ! 弹i 二对rf 包力设备描 度；l 控的系统主要仃以下几种： 1 比纤比栅i 乜力测温系统 i悲宝f 光栅渝笾传感器 二lf 专输光缆 二二别光纤光棚! i 业热点临洲仪i l ，一1 一1 、一 图l _ 1 光纤光栅电力测温系统框图【3 】 f i g u r e1 一if i b e rb r a g gg r a t i n ge l e c t r i c i t yt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ts y s t e md i a g r a m 它采用先进的光纤及光电1 j ：技术，在电j 测温点与电力测温仪表之间使用光纤进行 高压隔离和信t 引冬输，吲此电力测温j 七有本质的抗干二扰性能【4 j 【5 】，它一股由三部分升【成， 如图ll 所小： 该系统广一般测温系统柏比具有如下特点【6 1 ： 光纤传感器的光信号直接被分析仪解调成为摄氏温度数值，可视化人机友受，接 口。 利用光纤的绝缘特性，在电力测温点与仪表之问使用光纤进行高压隔离和信号 传输，因此电力测温具有本质的抗f 扰性能。 光纤电力测温具有优良的绝缘性能，不引雷；即使受到雷击，该系统仍可正常 工作。 电力测温传感器体积小，防雷击，可直接安装在高压开关柜内的触点、高压电 缆终端头、高压母线等连接部位。 分布式测量，实时预警。 但由于要靠光纤传输信号，会使设备连接线路过多、复杂，且光纤线路容易被其它 线路挤占、挂断等，从而使信号传输受到影响导致监测失败。 2 红外测温仪 目前，红外检测技术在我国电力系统中已得到比较广泛的应用，并取得了显著的效 果，为设备状态检修提供了依据，有效地预防了一些事故的发生，大大提高了设备运行 的可靠性。 红外测温仪是利用所有温度高于绝对零度的物体都会辐射红外能量，并且所辐射红 外能量的多少和物体温度的高低成正比这一原理工作的【引。通过测量被测物体辐射红外 太啜理j ：人学巧! i 研宄卜f 论文 能暑的多少，经过黑体杯定，从町掰出破测物 j ：f 内i 盟度， 因为它具订快捷、方便、灵敏度高、非接触性远距离测奄、无需使被测设备停运或 解体等优点，因此征电力系统敞障诊断c 。 得到广泛的j 迫j ，为设备抢修提供了依扔：，使 缺陷处理殳具针肘性。为，j l ：展设备状怠缔：掺刨遗t 条件，彳i 效地颅防了- 些务敞的发生， 大人提高了设备运行的可靠性。但利用红外辐射进行测温仍有其吲有的缺陷，山f 红外 线的穿透能力较弱，而且不同材料、气温等环境闪袭对辐射率的影响也比较人，所以对 变压器的内部等封闭环境的故障无法全部以热像的形式准确地显示出来。 3 示温记菜卷标 示温记求卷标存国内习惯称为变色测温贴片，h 外的名称一股叫“t e m p e r a t u r e i n d i c a t i n gr e c o r d e rl a b e l s ”即：“示温i 己录卷标”，也叫示温片，这是一种比较新颖的 测温技术，采用了温度敏感变色测温技术，能够贴剑皱测设备 二，随设备温度的变化而 改变颜色或显示温度数字，并由此可掌握设备的温度变化。 它具有以下的优点： 特别适合于普通温度计无法或难以测量的部件、外表面以及危及生命的环境中 的物体。如晶体管、集成电路、化工反应罐、发动机轴承、导电母线、开关、 接头、变压器等的温度测量。 便于巡视检查，温度发生变化，就引起颜色变化，人们即可采取措施，避免事 故发生，防忠于未然。 产品轻巧，便于携带，安装简便如带有不干胶的测温变色贴片，用时很方便， 揭下来一贴就可以了。 较经济，在测量相同数目的测温点时，比其它测温工具节省费用。 它的变色机理不尽相同，但都是物体受热后发生一系列化学和物理变化，由分子结 构的改变，导致反射光的颜色发生变化。例如，品型转化、升华、失水、氧化、分解引 起光散射的频带转移。 一般产品规格有5 0 、5 5 、6 0 、6 5 、7 0 。c 、7 5 、8 0 、8 5 、l0 0 。c 、1 2 0 各温度等级的测温贴片，还有更高或更低温度的贴片，以方f 更f 1 户更好地选用适合自己 的测温标准。 它需要人定时巡检以便及时发现超温报警避免发生事故。但这样就导致监测的非实 时性。且从理论上讲，测温贴片贴至l j n 温部位后，只要不超温，能川2 - - - - 3 年，甚至更 3 太原埋r 人学硕 j 研究：i i 。半：f 皇论文 k 。考虑到工、l k 现场比较复杂，为准确测温建议最好每年换贴一次。已超温变包的贴” 应随睑修及时也换。 删温贴片的i t i 确粘贴使用和颜色与温度的刘j j t 郜仃定婴求，返 也是使川过程l f 】需要考虑的问题。所以在电力系统的测温领域中这种示江i l l 片i 妻然也f ：久 合适。 本课题提出利川币片机加无线数据传输模块这一想法来解决上述难题。羔中，单片。 机实现f ：、下位机的时钟同步，在系统要求的h 于问内。实现变电站所角。温度测点的次循 上f ：检查，为p c 机做h 实时报警提供保证。无线数据传输模块克服了以往白。线传输的爬 电、功耗人等缺点，并利用重复编码的方法有效的避免了变电站幽一于：高电厂e 、强磁场产 乍的1 二扰，而h 更适合高i 正丌关柜、窀内等封c j j 环境f 的温度睑测。 1 3 本课题的研究内容 针对高压丌= 关柜或室内环境下的实时温度监测，本课题采用无线的方式进行温度数 据采集，并提出利用r c l 场感应的方法从高压设备获取能量。 本文的第一部分是对测温系统进行系统的设计，包括单片机、无线收发芯片的选型， 硬件电路的设计，包括无线收发电路、射频功放等电路的设计。 本文的第二部分是对测温系统进行软件设计，包括系统初始化、数据的打包解包、 无线模块的软件控制等，最后对测温系统多机通信的协议以及上下位机的主要程序流程 进行了简单介绍。 本文的第三部分就是提出电场感应电源的设想，并与目前常用测温系统的供电方式 进行比较，具有工作稳定可长时间工作等优点，紧跟着便是对这一设想的可行性进行论 证，以及具体电源电路的设计。 太原理r 人。7 ：仍! - 充 - k f 置沦文 第二章高压线路无线测温系统的整体设计 2 1 系统功能及技术指标 2 1 1 系统功能 高k 线路无线测湿系统足j 哑用- t “乜，力系统于温度的丈时监测，安装在测温点的测点 单片机系统( 下f 笾机) 通过电场感应方式从。苗厄设器获得能量，能实时的将温度数猁打 包利用尤线抟输的方式【8j 发送给接收币” l 系筑( 1 ：位饥) ，之后 ：位机再将各个测点的 温度数据通过4 8 5 总线传输给总控计算机，f | 户通过p c 机漫示器或液晶显示模块石r 以 对运行中的电力设备各个测点的温度进行矗! 线船测：该技术通过对多个测温点的温度数 据的及时采集、分析和处理，以实现对高眶f u 力系统运行状态的耍时隘测，从而为管理、 技术人员提供决策服务和技术支持。 2 1 2 系统技术指标 1 系统容量 该系统要求在一分钟内至少可以监测9 0 个测点。 2 传输距离 可以在3 0 0 至5 0 0 米的范围内实现无线数掂传输。 3 工作周期 整个系统监测的温度数掘动态更新，其更新周期为6 0 秒。 4 电力线监测装置要求 ( 1 ) 体积要求：规格( 2 0 c m 6 c m 1 5 c m ) ； ( 2 ) 功耗要求：平均功耗极低，不超过l o m w ： ( 3 ) 重量要求：不超过2 0 0 克： ( 4 )电源要求：无需j t - d n 4 i t l 助电源，通过感应满足自身供电。 久j 泉f i 譬f ：人，：l 贞 一充：。产f 声论文 2 2 系统设计方案 2 2 1 系统整体设计方案 陵系统三大部分组成：卜| 位帆，上f 讧机以及数据分折处珲姨背rp c 机) 。其中 卜位机负责将温度数据采集f 来通过微控- e 芯片m s p 4 3 0 f l l 3 2 ：降数据手j 包，再利用 c c l 0 0 0 将数据定时的发送给上位机，然后j ：位机再将收集到的潞度数耖l c 进行处理之后 通过4 8 5 总线传送给p c 机。系统的结构示意图如图2 一l 所示， 丑斟酣，。甜 图2 - 1 系统整体结构框图 f i g u r e2 1o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 其中下位机由感应电源模块、单片机模块、温度转化模块、无线收发模块构成。 上位机由单片机模块、无线收发模块、4 8 5 转换模块、存储模块构成。 下位机实时地采集温度数据，转化并打包，然后通过无线收发模块发送给卜位机。 上位机收到信号后解包还原温度值并上传给p c 机。如果p c 机出现问题，暂时不能上 传时，上位机会把温度数据暂时存入存储器中，等待p c 机的恢复。 2 2 2 系统电源设计方案 本设计针对现有测温系统中供电不稳定寿命有限等问题提出了一种电场感应式电 源用于测点装置的取能，基本原理就是利用高压设备携带的高电压电场来获得能量f 9 i ， 这种电场感应式电源相对于其他供电方式具有供电稳定，无须考虑电源寿命等优点，因 为这种感应电源是利用高压设备本身的电场来获得能量，只要高压设备中具有稳定的高 电压这种电源就能稳定j ：作，具体的设想及论证将在本文第丘章详细介绍。 2 2 3 系统下位机设计方案 下他机l j 电u i 感应i 乜源、j j j 乙、浦& 嗖4 ；化模块、无线收发镆块掏成。结合改计低 功牦的要求，f i 片 = i l = 芟块乐用| t 【2 j - i j f f ，jm s p 4 3 0 系列1 6 他超低功耗币一片饥，无线收 发：艺= 片采用厂t i 公r 订的收低j ：托f 。内q i 片收发。匕片c cl0 0 0 。利川m s p 4 3 0 f l1 3 2 内部1 0 位a d 转化模块与美信公刊的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 个卜位机都有自己固定的本机地址。j n 片机在自己预定的时f u j 片内“ 低功耗模式三 ( l p m 3 ) 转为工作模式【m j ，手j 外其他芯片的f j j 电线路，配聋无线收发系统等待接收上 f 机的同步信号。当收到嗣步信；沣确i 人与本丰f l 地i j l 耳1 1 同时，f 他机将多次录集的温度 数掘取i r 均值，采取重复编f l 5 j 柏并法j j - 包，然后通过c c l 0 0 0 无线收发模块发送给上 位机。发送。l i 作完成后，巾片 j - 断j i 他心t4 - 片的供f 乜线路，自身转为低功托馍式，等 待下个h , t f 自的到来。 2 2 ，4 系统上位机设计方案 上位机由单片机模块、无线收发模块、4 8 5 转换模块、存储模块构成。为简化设备， 上位机同样采用m s p 4 3 0 f 1 1 3 2 结合c c l 0 0 0 构成整个系统，与下位机的区别就是上位 机采用电池供电具有4 8 5 传输模块以及数据存储功能。t 位机每5 0 0 m s 向- f 位机发送内 容为地址的同步信号【眨】。当相应的下位机收到同步信号后都会立即回复其记录的温度 值。此时，上位机的无线收发模块已经转为接收状态。成功收到下位机的数据时，上位 机通过解包得到温度值，并将温度数据通过4 8 5 模块传输到p c 机做进一步处理。如果 4 8 5 传输不成功，单片机会将温度值暂时存入存储芯片中。 第三章高压线路无线测温系统的硬件设计 3 1 系统总体设计方案 整个测温系统通过上下位机实时的数拆：交换达到对高j f 设备温度f a 的实时采集。系 统的数据交换部是通过无线传输的方式束实现的，所以在每个单片机系统：都有一个 尼线收发模块，具体的发送和接受山软件来控制。本系统是一种单点对多点通信系统， ! f j 由台上位机对i 电多台下位机，每：与 ：位机接收到下位机发送的温度数据时就要将此 数抚j 通过4 h 5 总线系统传输给p c u l 做进步处理， 3 1 1 下位机设计方案 下位机安装在高压设备上定时进行温度的采集，当其i f 常工作h 0 通过温度传感器将 高，= ( 三设备的温度值传送给单片机，再通过单片机进行打包处理【1 3 】之后利用c c l 0 0 0 将数 据发送出去，下位机的主要功能就是对温度的采集以及数据的无线传输。由于该系统将 安装在几f 万伏的高压设备上，所以该系统必须简单轻便且体积要小，整个测点单片机 系统完全采用电压感应式电源进行供电。 为此测点单片机系统主要由电源、单片机、无线收发模块、模拟温度传感器等部分 组成，系统框图如图3 一l 所示： 图3 - 1 下位机系统框图 f i g u r e3 1d i a g r a mo fm e a s u r i n gp o i n t ss c ms y s t e m 太顷趔j ：人。硕 防：牛。产f 近论文 3 1 2 上位机设计方案 上位机系统足温度数扼接收装胃，通过 t 8 5 总线与f ) c 机棚连，当卜位饥将温嫂数 携 传送过水的时候卜化机会： 每这t 电数土i i ：通j 。总线。其时发送给总控汁锌机以便进彳f 进。 步操作，1 1 数捌无法l f i 常通过总线f l = - l 州s - 州该系统会闷矽j 将咳数士l c 仔储起来，w 为整箕系 统是利用无线数据传输方式进行数 j i ：交换所以数据接收系统可以远离高压设备，无须考 虑能量损耗问题用电池f ! 共电即可，系统框图如图3 2 所示： 图3 - 2 上位机系统框图 f i g u r e3 - 2d i a g r a mo fd a t ar e c e i v e rs c ms y s t e m 考虑到上下位机所完成的功能以及成本和复杂度问题，整个测温系统的微控部分将 采用同一种单片机来完成，这样不仅能节约成本而且还能降低设备的复杂度，上下位机 在功能上唯一的区别就是下位机要有4 8 5 转换电路部分用于完成单片机与p c 机之i 白j 的 数据传输。所以下面将不再具体区分上下位机，而将具体电路进行整体介绍。 3 2 微控电路设计 3 2 1 单片机选型 市面上存在着各种各样的单片机，每种单片机都有各自的特点。单片机的选用不能 一味的追求高性能，应该综合考虑其虚朋场合j 价格，以达到较高的性价比。因为对于 整个测温系统来说最重要的指标就是能耗问题，特别是下位机采用的是电场感应式的供 电方法，所以我们必须选择能耗较低的单片机作为整个系统的微控部分。 t i 公司的m s p 4 3 0 系列是一个超低功车e 类型的单片机，特别适合于电池应用的场合 或于持i 殳备。同t t 、n 亥系列将人景的外模块挚合到片内也特别适合_ j ：设计片上系统，有 太蟓埋 人“蟊j 研亢t z 似论文 丰富的不刷型号的器件可供选择，具有很人的灵活。阵，它足个1 6 他的精简指令构架， 仃大量的一r ：作寄存器和数据存储器，其中r a m 巾兀也i ：1 j 以实j 见j 兰锥，厶! 超f l c - j - ) j 牦力向， m s p 4 3 0 系列币片机能够实现在1 8 3 6 v 乜几：、im h z 的h - ，钟条什r - - j 主行，牦f 乜电流( 在 0 1 4 0 0 u a 之i b j ) 因不同的工作模式而不m ：同时能够。尊j 现液晶t 己乃j 的j - 仁- 叽 if ，只耗 乜 o 8 u a ，在运算方面，m s p 4 3 0 系列币片机能在8 m h z 晶体的驱动f ，实现1 2 5 n s 的指令 周期，1 6f 屯的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器， 【j 配合，能实现数 字信号处理的某些算法。在整合方面，该系列单片机将大馈的c p u 外i f ；| 模块集成在了 片内f 1 4 】。根据测温系统的应用环境及功耗等特点，本系统选用，f 、i 公司的1 6 位单片机 m s p 4 3 0 系列中的m s p 4 3 0 f 11 3 2 子系列。 3 2 2m s p 4 3 0 f 11 3 2 单片机简介 3 2 2 1m s p 4 3 0 f 1l3 2 系列单片机特点 该系列单片机主要有以下特点【1 0 l ： 具有很低的供电电压。单片机的供电电压最低可以低到1 8 v ，单片机的供电电 压的范围是1 8 v 3 6 v 。 超低功耗。这是目前其他单片机没有的特色；它在休眠条件下工作的电流只有 o 8 u a ，这就是在2 2 v 、1 m h z 条件下工作的电流只有2 0 0 u a 。 6 u a 4 k h z ，2 2 v ； 2 0 0 u a 1m h z ，2 2 v 。 快速唤醒时间。从休眠方式唤醒只需6 u s 的时间。 快速的指令执行时间。它采用的是1 6 位的r i s c 结构，指令的执行时间只需要 1 5 0 n s 的时间，是传统单片机不能比拟的。 具有灵活的时钟设置。主要有6 种方式：可变的内部电阻设霄方式、单个外部电 阻方式、3 2 k h z 的晶振方式、高频晶振方式、谐振器方式和外部时钟源方式。 这样可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置。 1 6 位的定时器t i m e ra 带有3 个捕获比较寄存器。 代码保护功能。单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护，从而可以对知识 产权进行保护。 具有j t a g 仿真调试接口，这样非常方便于软什的调试。 l 【j 人原理1 人。j j 硕f j 研究，上。z 付论文 3 2 2 2 引脚定义及功能模块 m s p 4 3 0 f l l 3 2 共仃2 0 个弓| 御，一，个f 巳源端v c c ，一个地, 端v s s ，外部品振接口x i n 、 x o u t ，复f t 接l q r s t ，n m i ，两个八f 节j f ：行数据接f j p l ( p 1 o p 1 7 ) 、p 2 ( p 2 p 2 5 ) ， 这些数据接【j 时f j j 一些爻f l j 功能，蜘：p 1 4 p 1 7 复用了卜载狴f 手的j t a g 接。 t e s t ii p 25r ：，s 0 。毫 o l j t x l n r srn n 川 p 2o ? a cl k ，a 0 p 217 i n c l a ； p 2 ，27 t a o a 2 d wo rp wp a c k a g e t o pv i e w ：jj 2 c 21 9 11 8 j 1 7 暑 i e e1 5 了 1 4 81 3 j1 2 10 l1 图3 - 3 引脚定义【1 0 i f i g u r e3 - 3p i nd e f i n i t i o n p l7 i t a 2 ，r d o ，7 t d i pi _ 6 倾1 ，丁d ? t c l k pi 5 ，。t a 0 ，t m s p14 s m c l k t c k pi3 ，_ f - a 2 p _ 12 i t al p i 。i ，可a o pi o 汀a c l k5 a d c 0 c l k p 2 4 ，7 t a 2 a 4 ：v r e f + v e r 三二+ p 2 3 i t a i a 3 v r e f 一e r e f 一 ，图3 4 功能模块图介绍了m s p 4 3 0 f 1 1 3 2 单片机内部集成的功能模块，如c p u 、 a d c i o 等。 i 图3 4 功能模块【1 0 i f i g u r e3 - 4f u n c t i o n a lm o d u l e s 一1 太原埋1 人。竽顺t “j f 宄一j ：i ；j 芝 3 2 2 3m s p 4 3 0 f 11 3 2 最小系统介绍 1 ) 复f r 乜路 m s p 4 3 0 f 1 1 3 2 的复位信号有两种：f ：电疆f t f 占写fp o r ) 和l “清除f 占吁( p u c ) 。 此芯 - , 4 jb r o w n o u tr e s e t ( b o r ) 模块耿f = j ，七：! 卜p o r 彤j 揆块，b o r 与p o r 类似，最 终产! i i 的信号也称为p o r 信号，如图3 5 为b o r 复f 迁时序。b o rf ：j = 测f 乜源电厂l i 的l 升 手【l 下降，上电和掉电部可以产生p o r 信号，导致系统复位。m s p 4 3 0 为低电平复化，其 复位电路如图3 - 6 所示。 i s e ts i i n a lf o r p o ic i r c u i t r y o h b o r ， 图3 - 5p o r 掉电复位( b o r ) 与供电电压( 1 0 】 图3 - 6 复位电路 f i g u r e3 - 6r e s e tc i r c u i t 2 ) 系统时钟电路 根据数据手册，当l f x t i 做高频模式时，外部晶振频率范围为i 8 m h z ，引脚谐 振电容为2 p f 。为了与c c l 0 0 0 的时钟l1 0 5 9 2 m 同步本电路使用3 6 8 6 4 m 的晶振。具 体时钟电路如图3 7 所示： m v 吒 k 原理1 i 人学硕 ：研究i ，# 何沦文 口8my 2 旷 图3 7 时钟电路 f i g u r e3 7c l o c kc i r c u i t 3 ) f 譬j 一 卜载电路 m s p 4 3 0 内部集成了遵循边界手 捕故障渗断协议( i e e e l1 4 9 ) 的电路，通常称勺 j t a g 。单片饥自7 个蕾唧fj 1 a g 相连，通过它可以f 载程序给单片机、控制m s p 4 3 0 的运行、读写内汛奇1 ，f 器的值、刷写f l a s h 的内容。 具体电路如图3 8 所示： 3 3 无线收发电路设计 3 3 1 无线收发芯片选型 i n ao n p a u ： 一 p i ) a i a p c u ( d c l k d k ) 卜on 寸nr 一 图3 - 8j t a g 电路 f i g u r e3 - 8j t a gc i r c u i t 由于无线收发芯片的种类比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的。诉 确的选择可以减小丌发难度，缩短开发周期，降低丌发成本。选择无线收发芯片时需要 考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、：芯 片成本、数掘传输是否需要进行曼彻斯特编码等。据了解目6 订在短距离无线数传中入量 使用的无线收发芯片t 要是t i 公司的c c 系列产品，本系统采用c