基于红外传感器的高压断路器状态在线监测系统设计.doc

I 摘要 断路器在电力系统中担负控制和保护的重要任务 其运行直接影响着整个电力系 统的稳定性和可靠性 断路器的在线监测是断路器状态检修的前提和关键 随着传感 器技术和信号处理技术的发展 使得断路器一些原本不容易在线监测的状态量的监测 得以实现 本文阐述了断路器现有在线监测技术的发展 介绍了断路器状态量的种类 在采 纳前人设计理念的基础上 设计了基于无线通信的断路器触头温度 行程在线监测系 统 该系统由温度 行程测量模块和上位机监控模块两个部分组成 温度 行程测量 模块采用红外温度传感器和增量式光电编码器 实现了非接触式测量断路器触头温度 行程 上位机监控模块由监控程序和通信单元组成 监控程序设定断路器温度测量周 期 收集断路器触头的温度数据 并响应断路器分 合闸信号 收集动触头行程数据 另外上位机与测量模块之问采用无线射频方式传输数据 免去了温度 行程测量模块 与上位机之间控制电缆的连接 本文所设计的断路器触头温度 行程在线监测系统通过仿真实验 能够实现断路 器触头温度 行程的测量以及上位机与温度 行程测量模块之间的无线数据传输 关键词 断路器 在线监测 触头 温度 行程 无线通信 II Abstract Responsible for circuit breakers in the power system control and protection of important tasks which run directly affect the entire power system stability and reliability Line circuit breaker circuit breaker status monitoring is a prerequisite and key maintenance As the sensor technology and signal processing technology makes some of the original circuit breaker is not easy to state the amount of online monitoring of the monitoring can be achieved In this paper the existing circuit breaker line monitoring technology introduces the state variable circuit breaker type in the adoption on the basis of the previous design the design of the circuit breaker based on wireless communication contact temperature trip line monitoring system the system consists of temperature measurement module visit and PC monitor module composed of two parts Temperature the trip using infrared temperature sensor measurement module and incremental optical encoder to achieve a non contact temperature measurement circuit breaker contacts trip PC monitoring module by the control procedures and communication modules monitor the temperature measurement period set the circuit breaker breaker contact of the temperature data collected and respond to the breaker points closing signal the moving contact travel data collection Another measurement module of the PC and asked the use of radio frequency transmission of data eliminating the need for temperature and stroke measurements between the control module and PC cable connection Contact breaker designed this temperature trip line monitoring system simulation experiment to achieve circuit breaker contact temperature measurement and PC stroke and temperature stroke measurements of wireless data transmission between modules Key Words Circuit Breaker on line minitoriContactg Tempurature Travel Wireless Commnunication 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 引言 1 2 高压断路器 2 2 1 高压断路器简介 2 2 2 高压断路器用途 2 3 测量原理 3 3 1 温度测量原理 3 3 2 红外传感器 4 3 2 1 红外传感器简介 4 3 2 2 红外传感器工作原理 4 3 3 断路器触头行程测量原理 4 4 硬件设计 6 4 1 主控部分设计 6 4 2 温度测量部分设计 6 4 3 行程监控部分设计 8 4 3 1CPLD 内部电路设计 9 4 3 1 1 信号处理原理及电路设计 9 4 3 1 2CPLD 数据 地址锁存及内部总线电路设计 10 4 3 1 3 无线通信单元硬件设计 11 4 4 无线通信单元硬件设计 12 4 5 上位机通讯单元硬件设计 13 5 软件设计 15 5 1 温度 形成测量软件设计 15 5 1 1 主程序设计 15 5 1 2 温度测量软件设计 15 5 1 3 行程监控软件设计 16 5 2 无线通讯软件设计 19 5 3 上位机串行口通讯软件设计 27 5 4 通讯单元软件设计 29 结论 36 致谢 37 参考文献 38 附录 39 A1 1 测量模块原理图 39 A1 2 通讯模块原理图 40 1 1 引言 我国从 50 年代开始 几十年来一直根据电力设备预防性实验规程的规定对电力设 备进行定期的停电实验 检修和维护 定期实验存在一定的不足 不能及时发现设备 内部的故障隐患 而且停电试验施加于运行电压的试验电压 对某些反映也不够灵敏 随着电力系统朝着高电压 大容量的方向发展 停电事故给生产和生活带来的影响及 损失越来越大 因此保证电力设备的安全运行越来越重要 而定期的停电实验 检修 和维护已经不能满足电力系统发展的需要 迫切需要对电力设备运行状态进行实时的 在线监测 根据其状态量的长期监测数据 及时反映断路器各功能部件的可靠程度 以便预防措施 避免停电事故发生 进入 80 年代以来 电力设备在线监测技术发展很快 绝大多数变电站设备及发电 机 电缆 线路绝缘子等都有在线监测项目 随着电子技术的进步和传感器技术 光 纤技术 计算机技术 信息处理技术等的发展和向各领域的渗透 系统监控技术中广 泛应用了这些先进的科研成果 使在线监测技术逐步走向实用化阶段 与预防性实验 相比 在线检测系统采用更高灵敏度的传感器以采集运行中设备绝缘劣化的信息 信 息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机网络 不仅可以把某些预试项目 在线化 而且还可以引进一些新的更真实反映设备运行状态的特征量 从而实现对设 备运行状态的综合诊断 促进电力设备由定期实验向状态检修过度进程 在线监测技术的开发 推动了电力设备运行维护水平的提高 减少了维护人员的 劳动强度 对部分设备采用根据监测结果确定停电检修周期的方法 为从预防性实验 向状态检修方向过度积累了经验 另一方面 由于引进了先进的电子技术 信息处理 技术 使得在线检测技术更具有先进性 实用性 推进了电力设备绝缘监督方法的革 新 在线监测技术的开发和应用 提高了运行管理的智能化程度 加快了设备运行状 态的信息反馈 缩短了故障判断和处理时间 提高了工作效率 减少了因停电造成的 经济损失 并为实现无人值班变电站创造了条件 断路器是电力系统中最重要的设备 之一 肩负着控制和保护的双重任务 即能根据电网的需要进行电力设备及线路的投 切 以及当电力设备或线路发生故障时 能将故障部分迅速从电网中切除 以保证电 网无故障部分的可靠运行 2 2 高压断路器 2 1 高压断路器简介 高压断路器 或称高压开关 它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电 流 而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用 切断过负荷电流和短路电流 它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力 可分为 油断路器 多油断路器 少 油断路器 六氟化硫断路器 SF6 断路器 真空断路器 压缩空气断路器等 附图 断路器典型结构简图 2 2 高压断路器用途 高压断路器在高压电路中起控制作用 是高压电路中的重要电器元件之一 断 路器用于在正常运行时接通或断开电路 故障情况在继电保护装置的作用下迅速断 开电路 特殊情况 如自动重合到故障线路上时 下可靠地接通短路电流 高压断 路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器 3 测测量量原原理理 3 3 1 温度测量原理 目前用于断路器触头温度在线测量的方法主要分为两种 接触式测量所用到的传感器价格低廉 结构简单 但是需要与断路器触头附近的 带电部分接触 会给测量装置引入高电压绝缘问题 而非接触式测量可以实现远距离 测量 不需要与测量点接触 为了避免断路器在线监测装置的高电压绝缘问题 本文 中采用非接触式测量的方式实现断路器触头的温度测量 非接触式温度测量的传感器主要有两种 光纤温度传感器和红外温度传感器 光 纤温度传感器由光纤和感温原件构成 它的原理是利用感温元件对光的吸收性随温度 变化而变化的特性 将待测物体温度变化转化为光信号的变化 再通过光监测电路及 滤波电路输出模拟电压量 温度测量通过光信号转化为电信号 但是采用光纤温度传 感器需要在测温点引出光纤电缆 而且光纤温度传感器的价格目前还是比较高 相对 而言性价比较低 红外温度传感器原理是通过接收测量物体的电磁辐射 将辐射波长 的变化转化成模拟电信号输出 其体积小 结构简单 综合比较 采用红外温度传感 器能够实现远距离测量 对断路器本体结构不产生影响 在断路器触头温度测量中可 行性高 由于断路器触头位于灭弧室中 外界不能直接观察到 所以不能够直接测量到断 路器触头的温度 但是根据热传导原理 导电体通过电流温度升高 和它接触的其它 零件的温度也会升高 断路器触头与灭弧室端盖或母线连接处之间的接触可近似的看 作平面接触 利用平板的热传导公式 温升 热功率 物质的导热率 R 热阻 A 平板面积 平板厚度 由此可知当断路器触头的温度升高 由触头向灭弧室端盖或母线传导的热功率变 大 灭弧室端盖或母线的温度线形升高 反之亦然 根据上述原理可知通过测量与断 路器触头相接触的可见零部件的温度 间接获得断路器触头的温度是可行的 本文设 计的断路器触头温度测量模块就是通过测量灭弧室端盖或触头与母线连接处的温度间 接反映触头的实际温度 3 2 红外传感器 WKAR KR 4 3 2 1 红外传感器简介 红外传感系统是用红外线为介质的测量系统 按照功能可分成五类 按探测机理可 分成为光子探测器和热探测器 红外传感技术已经在现代科技 国防和工农业等领域获 得了广泛的应用 3 2 2 红外传感器工作原理 待测目标 根据待侧目标的红外辐射特性可进行 红外系统的设定 大气衰减 待测目标的红外辐射通过地球大气层时 由于气体分子和各种气体以 及各种溶胶粒的散射和吸收 将使得红外源发出的红外辐射发生衰减 光学接收器 它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器 相当于雷达天线 常用是物镜 辐射调制器 对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光 提供目标方位信息 并可滤除大面积的 干扰信号 又称调制盘和斩波器 它具有多种结构 红外探测器 这是红外系统的核心 它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出 来的物理效应探测红外辐射的传感器 多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的 电学效应 此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型 探测器制冷器 由于某些探测器必须要在低温下工作 所以相应的系统必须有制 冷设备 经过制冷 设备可以缩短 响应时间 提高探测灵敏度 信号处理系统 将探测的信号进行放大 滤波 并从这些信号中提取出信息 然 后将此类信息转化成为所需要的格式 最后输送到控制设备或者显示器中 显示设备 这是红外设备的终端设备 常用的显示器有示波器 显像管 红外感 光材料 指示仪器和记录仪等 依照上面的流程 红外系统就可以完成相应的物理量的测量 红外系统的核心 是红外探测器 按照探测的机理的不同 可以分为热探测器和光子探测器两大类 下面以热探测器为例子来分析探测器的 原理 3 3 断路器触头行程测量原理 断路器动触头行程测量用的传感器种类很多 笼统的可分为两大类 一类是采用 直线位移传感器 一般安装在断路器直线运动的部件上 可以直接测量动触头运动信 号波形 一类是采用旋转位移传感器 由于断路器操动机构主轴与断路器动触头通过 机构相连 所以通过测量操动机构主轴的旋转角度间接得出断路器动触头的行程 由 于直线位移传感器安装所需要的空间比旋转位移传感器要大 对于体积较小真空断路 器而言 选用旋转位移传感器更方便 为了增强测量模块的通用性 故本文所设计的 测量模块选用增量式旋转光电编码传感器实现断路器动触头的行程测量 以真空断路 器为例 5 附图 真空断路器触头与操动机构连接图 旋转光电编码器是输入轴角位移传感器 利用光栅和光电断续器的相对运动 当 输入轴转动时 编码器输出 相 相两路相位差 的正交光信号 经过光电转 换后 得到 两路方波信号 将 信号通过相应的信号处理电路转换成与行 程特性有关数字信号 传送给微处理器处理即完成了断路器触头的行程测量 传统的 行测量需要一块信号处理电路板来实现 电路板上包括触发电路 计数电路来完成行 程信号的计数输出 现在可以选用一片复杂可编程逻辑器件 完成信号处理 计数输出 大大节省了行程测量模块的体积 是可以由用户在现场进行编程 实现所需逻辑功能的数字集成电路 利用其内部的逻辑结构可以实现任何布尔表达式 或寄存器函数 它可以由用户根据具体设计需要进行配置和修改 4 硬件设计 6 4 1 主控部分设计 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单 片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单片 机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失 存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多 功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效 微控制器 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 外形及引脚排列如图所示 图 4 1 AT89C51 管脚图 4 2 温度测量部分设计 该测量单元由温度传感器和数模转换芯片组成 红外温度传感器选用 IRBD300 红 外温度探头 其工作电压为 5V 工作电源线 地线由模块引出 模数转换器选用具有 串行控制 连续逐次逼近型 TLC1549 它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态 输出构成三线接口 其中三态输出分别为片选 CS 低电平有效 输入 输出时钟 I OCLOCK 数据输出 DATAOUT TLC1549 能以串行方式把转换完的数字信 号传送给单片机 由于 TLC1549 采用 CMOS 工艺 内部具有自动采样保持 可按比例 量程校准转换范围 抗噪声干扰功能 而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅 为 1LSB 4 8MV TLC1549 为 10 位单通道输入 能够使温度转换精度达到 0 3 度 IRBD300 是一种集成红外光学系统 专用信号处理电路与环境温度补偿电路的一体化 红外测温探头 由工厂进行标定校准 测温范围为 20 300 度 环境温度为 25 100 度 响应时间为 150ms 距离系数为 8 1 工作电源为 DC5V 输出信号 0 5V 共有 6 个引 脚 分别是 目标温度输出电压信号 环境温度输出电压信号 源输入 接地输入 SCLK 和 SDAT 为厂家标定 其引脚排列如图所示 7 图4 2 IRBD300引脚排列 TLC1494是一种单通道输入 串行输出的10位模数转化芯片 其引脚排列及功能 结构图如图所示 图4 3 TLC1549引脚排列及功能结构图 温度测量单元传感器输出温度电压信号接TLC1494模拟信号输入管脚 TLC1494的 片选信号 数据输出 输入 输出时钟分别与单片机P2 5 P2 6 P2 7管脚相连 REF REF 管脚为参考电压管脚 分别接电源 地 温度测量单元电路图如图所示 8 图 4 4 温度测量单元电路 4 3 行程监控部分设计 图 4 5 测量单元系统图 该测量单元由旋转光电编码器 复杂可编程逻辑器件CPLD和外部存储器RAM组 成 旋转光电编码器输出电缆为7芯 包括电源线 地线 屏蔽铜网以及3根信号线 编码器电源 地线由模块引出 信号线输出为2路计数方波脉冲和1路基准方波脉冲提 供给信号处理电路 进行行程测量 CPLD选用MAX3000A的EP3064 CMOS工艺 可用门数600个 64个宏单元 最大用户I O管脚34个 工作电压为3 3V TQFP封装 共44个引脚 外部存储器选用HM6116 2K字节8位RAM 11位地址 8位数据 3位读 写及片选信号 共24个引脚 行程测量单元系统框图如图所示 9 4 3 1CPLD 内部电路设计 采用一片 CPLD 可以在测量模块上实现行程监测计数并输出最后结果 它除实现 行程测量功能外 同时还可作为地址锁存电路 CPLD 内部电路完成的工作 一是处 理光电编码器输入的 A B 信号 得到计数结果 二是在对计数结果进行采样时 将 采样数据锁存 保证采样时间内 输出的采样结果保持不变 三是实现地址锁存 给 外部 RAM 提供地址信号 CPLD 采用内部总线机构 8 位数据线和地址线复用 4 3 1 1 信号处理原理及电路设计 本文中通过对 2 路办波脉冲整形处理 提高计数脉冲个数 光电编码器的测量精 度不变 可以将计数脉冲个数提高 2 倍 由光电编码器输出的 A B 信号 经过取反 得到 A B 信号 通过 CPLD 内部逻辑处理整形后得到 4 路窄脉冲信号 使得计数脉 冲频率变为处理前的 2 倍 得到的窄脉冲信号通过与原有 4 路宽脉冲信号逻辑运算后 得到 2 路加减计数脉冲 P P 由于 A B 信号相位相差 90 度 假设断路器操动机构合闸操作时 输出 A 信号超 前 B 信号 90 度 则断路器分闸操作时 光电编码器反方向转动 输出 A 信号滞后 B 信号 90 度 所以通过上述公式得到两个断路器操动机构不同方向转动的两个计数脉 冲 P P 对两个脉冲分别计数 输出 8 位计数结果 分别计为 RESU C RESU C CPLD 内部信号处理流程图如图所示 图 4 6 CPLD 内部信号处理流程 根据信号处理的原理 设计相应的数字电路 4 路窄脉冲信号的获得 这是信号处 理核心 其设计分析的逻辑原理图如图所示 10 图 4 7 信号处理逻辑原理图 4 3 1 2CPLD 数据 地址锁存及内部总线电路设计 CPLD 采用 8 位内部总线方式 数据地址信号共用内部总线 控制信号共 4 个 分 别为读信号面 写信号而 采样时钟 读时钟 当读信号有效时 总线上传输的为数 据信号 当写信号时 总线上传输的为地址信号 由 CPLD 内部计数电路对光电编码器 信号 A B 实时计数 按照采样时钟频率对结果采样 在采样时钟频率的下降沿将采样 数 RESU C RESU C 锁存 以保证向内部总线上传输的数据在读取周期内保持不变 设置读取时钟为周期与采样时钟周期相同的矩形波 读信号有效时 在一个采样周期 内依次将采样数据 RESU C RESU C 通过内部总线送上与 CPLD 数据 IO 口 CPLD 另 外一个功能是给外部 RAM 提供地址信号 写信号历有效时 将与微处理器连接的 IO 口 上的地址信号送上内部总线 在地址锁存信号 下降沿 将内部总线上的地址信 号通过地址锁存电路锁存 锁存电路输出 AD0 AD7 接外部 RAM 地址信号 CPLD 数据 地址锁存及内部总线逻辑原理图如图所示 11 图 4 8 CPLD 数据 地址锁存及内部总线逻辑原理图 4 3 1 3 无线通信单元硬件设计 数据存储器选用 HM6116 容量为 2K 字节的 SRAM 11 条地址线 8 位数据线 3 条 控制线 双列直插封装 共 24 个引脚 其引脚排列图如图所示 图 4 9 HM6116 引脚图 根据 CPLD 内部电路及其输入输出引脚 微处理器 AT89C51 单片机的 P0 端口 P0 0 P0 7 与 CPLD 定义的数据 地址引脚相连 由微处理器进行数据读取和地址 写入 单片机 P3 2 引脚与 CPLD 定义的中断信号引脚相连 当断路器动作 光电编码 器有输入时 微处理器响应中断 进行行程计数 单片机的 P 24 P3 0 P3 1 P3 3 引 脚与 CPLD 定义的控制逻辑引脚相连 由微处理器提供读写 采样始终 数据读取信 号 单片机的 ALE 引脚与 CPLD 定义的地址锁存引脚相连 由单片机提供地址锁存信 号 将 HM6116 的低 8 位地址信号锁存输出 HM6116 的片选引脚 西 与单片机 12 P2 3 引脚相连 由单片机提供片选信号 低 8 位地址引脚 A0 A7 与 CPLD 定义 的地址输出引脚相连 由 CPLD 提供低 8 位地址信号 高 3 位地址引脚 A8 A10 与 单片机 P2 0 P2 2 引脚相连 由单片机提供高 3 位地址信号 数据引脚 D0 D8 与 单片机 P0 端口连接 当片选信号有效时实现与单片机的数据传输 读写引脚与单片机 的读写引脚相连 当单片机读信号有效时 由 RAM 单片机输出数据 当单片机写信号 有效时 由单片机中存入数据 行程测量单元各元件接线电路图如图所示 图 4 10 形成单元接线电路图 4 4 无线通信单元硬件设计 无线通信单元由无线射频芯片 NRF905 组成 其工作频段为 433 868 15MHZ CMSK 调制 自动产生 CRC 和前导码 抗干扰能力强 采用 DSS PLL 频率合成技术 频率稳定性极好 灵敏度高 达到 100DB 最大发射功率达 10DB 开阔地的使用距离最远可达 1000 米 低功耗工作模式 并且内建空闲模式和 关机模式 易于实现节能 工作电压范围为 1 9 3 6V 外围元件少 调试简单 QFN 封装 共 32 个引脚 NRF905 使用 SP1 接口与微处理器通信 配置非常方便 其电路 设计如图所示 13 图 4 11 无线通讯单元电路图 4 5 上位机通讯单元硬件设计 监控室上位机与温度 行程测量模块之间采用无线通信的方式 上位机本身不带 无线收发功能 故需要设计通信单元 该单元由微处理器 RS232 串行接口 无线射频 芯片组成 实现与断路器触头温度 行程测量模块之间无线数据通信以及与上位机监 控程序之间的 RS232 串口通信 该通信单元选用 ATC89C4051 做微处理器 自带 4K 字节程序存储器 工作电压 3 3V 16 个 IO 口 共 20 个引脚 作为无线通信单元的微处理器实现对 NRF905 的配置 及控制其收发状态 以及通过串行接口与上位机的 RS232 串行口连接 实现与上位机 的数据传输 无线射频芯片与测量模块无线通信单元一样采用 NRF905 除了与微处理器接口驱 动电路不同外 其它外部接线均相同 ATC89C4051 与 RS232 之间串口通信信号的电平转换选用 MAX3232 完成 MAX3232 是一种 RS232 接口芯片 能够完成 TTL 与 RS232 两种电平之间的转换 工作电压为 14 3 3 5V 可完成两路串行口的电平转换 共 16 个引脚 无线通讯单元电路设计如图所 示 图 4 12 无线通讯电路设计 5 软件设计 5 1 温度 形成测量软件设计 15 5 1 1 主程序设计 测量模块主程序接收到上位机温度测量指令 行程数据传输指令 或查询到行程 采集中断后 转入相应子程序处理 主程序中对模数转换芯片 无线射频芯片以及 CPLD 芯片初始化后 进入查询状态 等待相应指令信号 主程序流程图如图 5 1 所示 图 5 1 主程序流程图 5 1 2 温度测量软件设计 TCL1594 具有 种串行接口时序模式 这些模式由 I O CLOCK 周期和 CS 定义 图 4 2 所示为 I O CLOCK 和 CS 共同定义的 TLC1594 时序图 其工作过程可分为 3 个 阶段 模拟量采样 上电时 CS 必须是高电平 当其变为低电平后 在 I O CLOCK 的 作用下 TLC1594 开始工作 在第三个 I OCLOCK 下降沿 输入模拟量开始采样 采样持续 7 个 I OCLOCK 周期 采样值在第 10 个 I OCLOCK 下降沿锁存 模拟量转换 采样值锁存后 进入转换间隔 这时 CS 由低电平变为高电平 I OCLOCK 禁止且模数转换结果的输出 DATAOUT 处于高阻状态 TLC1594 内的 CMOS 门限检测器通过检测一系列电容的充电电压决定模数转换后的数字量的每一位 整个转换过程时间不大于 21us 数字量传输 当 CS 由高变为低时 CS 复位内部时钟 控制并使能 DATAOUT 和 I OCLOCK 允许 I OCLOCK 工作并使 DATAOUT 脱离高阻状态并接收上一次转换结 16 果 首先移出上一次转换结果数字量对应的最高位 下一个 I OCLOCK 的下降沿驱动 DATAOUT 输出上一次转换结果数字量对应的次高位 依次第 9 个 I OCLOCK 的下降 沿驱动 DATAOUT 输出上一次转换结果数字量的最低位 第 10 个 I OCLOCK 的下降 沿 DATAOUT 输出一个低电平 以便串行接口传输超过 10 个时钟 软件程序如下 Sbit IOC P2 7 端口定义 Sbit DO P2 6 Sbit CS P2 5 int tem Int DAT 0 Adcov 0 AD 转换 Dat adtrs 0 0 0 数字量传输 Int I CS 1 Delay 10 For i 0 i 10 i IOC 1 Delay 10 Int datrs int d C tem 数字量传输 Int I For i 0 i 10 i Tem 0 x0000 IOC 1 Delay 10 IOC 0 C D0 Tem d 1 D tem C Return d 5 1 3 行程监控软件设计 行程监测单元采用中断方式测量断路器动触头行程 外部中断请求 INT0 而采用边 沿触发方式 接信号处理电路的启动信号 A 逻辑或 B 输出 即当 A 或 B 有计 数脉冲输入时 INT0 中断标志位被置 1 向 CPU 请求中断 单片机初始化时需设定允 许两而中断 转入中断服务程序 将光电编码器的计数结果按照一定的频率采样 读取采样数据 并存入 RAM 中 其中断服务程序流程图如所示 17 图 5 2 行程测量单元中断服务程序流程图 其中断服务程序如下 include 头文件 include include sbit clk s P3 1 I O 口定义 sbit clr s P3 0 sbit A8 P82 0 sbit A9 P2 1 sbit A10 P2 2 sbit CE P2 3 void intrpt interrupt 0 using 1 外部中断 INPT0 unsigned char i temp1 temp2 dir comp dat unsigned char pdata dp IE0 x00 关中断 A8 0 18 A9 0 A10 0 dp 0 x00 RAM 入口地址 0 x00 clk s 1 nop clk s 0 delay 1000 temp1 P0 读计数结果 delay 1000 temp2 P0 if temp1 temp2 判断服务器动作状态 dir 1 断开 else dir 0 闭合 do clk s 1 nop clk s 0 delay 1000 temp1 P0 delay 1000 temp2 P0 if dir 1 处理计数结果 comp temp1 temp2 else comp temp2 temp1 dat comp CE 0 RAM 被选中 nop dp dat 向 RAM 写入成立后的计算结果 dp 向 RAM 写入地址 1 while dat comp 0 判断是否读取完所有采样数据 如果全部读完 跳出循环 IE 0 x01 5 2 无线通讯软件设计 无线通信单元采取不主动发送数据 只响应上位机对应指令方式 要实现无线通 信单元数据收发 首先通过微处理器对 NRF905 内的寄存器进行初始化设置 NRF905 的所有设置都通过 SPI 口完成 通过 SPI 接口指令实现对 NRF905 寄存器内的各类参 19 数设置 确定其工作频率 输出功率等参数 待初始化完成后 由微处理器将 TRX CE 拉至高电平 TXEN 拉至低电平 NRF905 进入接收模式 当检测到接收频率 的载波时 CD 变为高电平 当接收到一个有效的地址 AM 变为高电平 对接收到的 数据包进行 CRC 校验 校验正确 NRF905 将数据包除去报头 地址 同时 DR 变为 高电平 此时微处理器把 TRX CE 拉至低电平 NRF905 进入空闲模式 微处理器通 过 SPI 口 按 SPI 时钟把数据移入微处理器 当所有的数据传出后 NRF905 再次将 AM DR 变为低电平 无线通信单元响应微处理器发送指令 先通过 SPI 口按 SPI 时钟把接收机的地址 和要发送的数据传送给 NRF905 然后微处理器将 TRX CE 拉至高电平 使 NRF905 进入发送模式 对数据打包 添加报头 完成 CRC 校验计算 完成数据包的发送 发送完成后 DR 被设为高电平 在发送期间 无论 TRX CE 发生怎样的改变 NRF905 都能保证本次发送的完成 其接收模块和发送模块流程图如图 5 3 图 5 4 所 示 图 5 3 NRF905 接收数据模块流程图 20 图 5 4NRF905 发送数据模块流程图 NRF905 接收发送程序 include include include include define uint unsigned int define uchar unsigned char define BYTE BIT0 0 x01 define BYTE BIT1 0 x02 define BYTE BIT2 0 x04 define BYTE BIT3 0 x08 define BYTE BIT4 0 x10 define BYTE BIT5 0 x20 define BYTE BIT6 0 x40 define BYTE BIT7 0 x80 bdata unsigned char DATA BUF define DATA7 DATA BUF 21 sbit flag1 DATA BUF 0 发送数据缓冲区 define TxRxBuf Len 4 unsigned char TxRxBuf TxRxBuf Len 0 x29 0 x30 0 x31 0 x32 sbit TXEN P2 0 sbit TRX CE P3 2 sbit PWR P2 1 sbit MISO P2 6 sbit MOSI P1 5 sbit SCK P2 7 sbit CSN P1 6 sbit AM P2 4 sbit DR P3 3 sbit CD P2 2 sbit led3 P1 0 sbit led2 P1 1 sbit led1 P1 2 sbit led0 P1 3 sbit KEY0 P3 6 sbit KEY1 P3 7 sbit BELL P2 3 uchar seg 10 0 xC0 0 xCF 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 define WC0 x00 define RC0 x10 define WTP0 x20 define RTP0 x21 define WTA0 x22 define RTA0 x23 define RRP0 x24 unsigned char idata RFConf 11 0 x00 配置命令 0 x4c CH NO 配置频段在 430MHZ 0 x0c 输出功率为 10db 不重发 节电为正常模式 0 x44 地址宽度设置 为 4 字节 0 x04 0 x04 接收发送有效数据长度为 32 字节 0 xCC 0 xCC 0 xCC 0 xCC 接收地址 22 0 x58 CRC 充许 8 位 CRC 校验 外部时钟信号不 使能 16M 晶振 code TxAddress 4 0 xcc 0 xcc 0 xcc 0 xcc char tf static void Delay uchar n uint i while n for i 0 i 80 i unsigned char SpiRead void unsigned char j for j 0 j 8 j DATA BUF DATA BUF 1 SCK 1 if MISO 读取最高位 保存至最末尾 通过左移位完成整个字节 DATA BUF BYTE BIT0 else DATA BUF SCK 0 return DATA BUF void SpiWrite unsigned char send unsigned char i DATA BUF send for i 0 i 8 i if DATA7 总是发送最高位 MOSI 1 23 else MOSI 0 SCK 1 DATA BUF DATA BUF 1 SCK 0 void nRF905Init void CSN 1 Spi disable SCK 0 Spi clock line init low DR 0 Init DR for input AM 0 Init AM for input CD 0 Init CD for input PWR 1 nRF905 power on TRX CE 0 Set nRF905 in standby mode TXEN 0 set radio in Rx mode void Config905 void uchar i CSN 0 Spi enable for write a spi command SpiWrite WC Write config command 写放配置命令 for i 0 i 11 i Write configration words 写放配置字 SpiWrite RFConf i CSN 1 Disable Spi void TxPacket uchar TxRxBuf uchar i Config905 CSN 0 SpiWrite WTP Write payload command for i 0 i 4 i SpiWrite TxRxBuf i Write 32 bytes Tx data 24 Spi enable for write a spi command CSN 1 Delay 1 Spi disable CSN 0 Spi enable for write a spi command SpiWrite WTA Write address command for i 0 i 650us void SetRxMode void TXEN 0 TRX CE 1 Delay 1 delay for mode change 650us unsigned char CheckDR void 检查是否有新数据传入 Data Ready DR 1 Delay 2 if DR 1 return 1 else return 0 25 void RxPacket void uchar i Delay 1 TRX CE 0 Set nRF905 in standby mode Delay 100 TRX CE 0 CSN 0 Spi enable for write a spi command Delay 1 SpiWrite RRP for i 0 i 4 i TxRxBuf i SpiRead Read data and save to buffer CSN 1 Delay 10 TRX CE 1 void RX void SetRxMode Set nRF905 in Rx mode if CheckDR 1 Delay 10 RxPacket if TxRxBuf 0 0 x29 P0 seg 3 led0 0 led1 0 led2 0 led3 0 if TxRxBuf 0 0 x30 P0 seg 4 led0 0 led1 0 led2 0 led3 0 26 void main void nRF905Init Config905 P0 seg 0 led0 0 led1 0 led2 0 led3 0 while 1 RX if KEY0 0 tf 1 TxRxBuf 0 0 x29 TxRxBuf 1 0 x30 TxRxBuf 2 0 x31 TxRxBuf 3 0 x32 P0 seg 1 led0 0 led1 0 led2 0 led3 0 if KEY1 0 tf 1 TxRxBuf 0 0 x30 TxRxBuf 1 0 x31 TxRxBuf 2 0 x32 TxRxBuf 3 0 x29 P0 seg 2 led0 0 led1 0 led2 0 led3 0 27 if tf 1 SetTxMode TxPacket TxRxBuf tf 0 Delay 10 5 3 上位机串行口通讯软件设计 上位机串口通信程序查询方式 模块化设计完成与测量模块的数据通信 其程序 流程图如图 5 5 所示 图 5 5 串口通信程序流程图 串口通信程序包括对串口的初始化 数据发送和数据接收三个部分 其程序如下 include include unsigned char ch bit read flag 0 void init serialcom void 28 SCON 0 x50 SCON serail mode 1 8 bit UART enable ucvr UART 为模式 1 8 位数据 允许接收 TMOD 0 x20 TMOD timer 1 mode 2 8 bit reload 定时器 1 为模式 2 8 位自动重装 PCON 0 x80 SMOD 1 TH1 0 xFD Baud 19200 fosc 11 0592MHz IE 0 x90 Enable Serial Interrupt TR1 1 timer 1 run TI 1 向串口发送一个字符 void send char com unsigned char ch SBUF ch while TI 0 TI 0 串口接收中断函数 void serial interrupt 4 using 3 if RI RI 0 ch SBUF read flag 1 就置位取数标志 main init serialcom 初始化串口 while 1 if read flag 如果取数标志已置位 就将读到的数从串口发出 read flag 0 取数标志清 0 send char com ch 29 这个程序由四部分组成 init serialcom void 初始化串口 send char com unsigned char ch 向串口发送字符 serial interrupt 4 using 3 中断串口接收字符 main 主函数 5 4 通讯单元软件设计 通信单元将串口接收到的数据通过无线射频芯片发送出去 也可将无线射频芯片 接收到的数据通过串口传输给上位机 其主程序流程图如图 5 6 所示 图 5 6 通信单元主程序流程图 数据接收部分 当允许接收控制位 REN 被置 1 单片机就开始工作 由单片机以 9600BPS 的 16 倍速率对 RXD 引脚上的电平进行采样 当采样到从 1 到 0 的负跳变时 启动接收控 制器开始接收数据 在接收移位脉冲的控制下依次把所接收到的数据移入移位寄存器 当 8 位数据机停止位全部移入后 接收控制器发出 装载 SBUF 信号 将移位寄存器 中的 8 位数据装入接收数据寄存器 SBUF 停止位装入 RBD 并置位 RI 向 CPU 申请 中断 把数据从 SBUF 中取出 接收控制器继续采样 RXD 引脚 准备接收下一帧数据 其软件程序如下 include 30 define uint unsigned int define uchar unsigned char bit lcdbit sbit TXEN P2 7 配置口定义 7 6 5 sbit TRX CE P2 6 sbit PWR P2 5 sbit MISO P2 2 SPI 口定义 0 1 2 3 sbit MOSI P2 3 sbit SCK P2 1 sbit CSN P2 0 sbit DR P2 4 状态输出口 4 sbit led P1 0 RF 寄存器配置 0 x00 配置命令 0 x6C CH NO 配置频段在 433 2MHZ 0 x0E 输出功率为 10db 不重发 节电为正常模式 0 x44 地址宽度设置 为 4 字节 0 x03 0 x03 接收发送有效数据长度为 3 字节 0 xE7 0 xE7 0 xE7 0 xE7 接