高電壓設(shè)備智能監(jiān)測設(shè)計(jì)范文

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《無線通信技術(shù)雜志》2014年第二期

1本終端接口介紹

SPI是一種串行同步通訊協(xié)議。SPI接口由SS(從器件選擇線)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出線)、SDI(串行數(shù)據(jù)輸入線)和SCK(同步串行時(shí)鐘線)四種信號構(gòu)成，常作為單片機(jī)外設(shè)芯片串行擴(kuò)展接口。SPI可以用全雙工通信方式同時(shí)發(fā)送和接收8(16)位數(shù)據(jù)，過程如下:主機(jī)啟動發(fā)送過程，送出時(shí)鐘脈沖信號，主移位寄存器的數(shù)據(jù)通過SDO移入到從移位寄存器，同時(shí)從移位寄存器中的數(shù)據(jù)通過SDI移入到主移位寄存器中［4］。8(16)個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，時(shí)鐘停頓，主移位寄存器中的8(16)位數(shù)據(jù)全部移入到從移位寄存器中，隨即又被自動裝入從接收緩沖器中，從機(jī)接收緩沖器滿標(biāo)志位(BF)和中斷標(biāo)志位(SSPIF)置"1"。同理，從移位寄存器中的8位數(shù)據(jù)全部移入到主寄存器中，隨即又被自動裝入到主接收緩沖器中，主接收緩沖器滿標(biāo)志位(BF)和中斷標(biāo)志位(SSPIF)置"1"。主CPU檢測到主接收緩沖器的滿標(biāo)志位或者中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。同樣，從CPU檢測到從接收緩沖器滿標(biāo)志位或中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)，這樣就完成了一次相互通信過程。

2無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1監(jiān)測終端硬件電路的總體設(shè)計(jì)本課題是針對于高電壓設(shè)備智能監(jiān)測終端的硬件電路的設(shè)計(jì)。該節(jié)點(diǎn)選STC的一款8位微處理器STC89C52RC為主控芯片進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測，STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技的新一代低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，可以任意選擇12時(shí)鐘機(jī)器周期和6時(shí)鐘機(jī)器周期。該芯片具有很多優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、測量和控制精度較高、可靠性高、多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度、體積小、響應(yīng)速度快、操作方便等。硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2．2CPU(STC89C52RC)核心控制模塊設(shè)計(jì)STC89C52RC外圍電路主要包括TLC549A/D轉(zhuǎn)化模塊、電壓傳感器模塊、溫度傳感器模塊、液晶顯示模塊、無線通信模塊。(1)TLC549A/D轉(zhuǎn)化模塊:TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA－OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長17μs，TLC549為40000次/s。總失調(diào)誤差最大為±0．5LSB，典型功耗值為6mW［4］。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾能力強(qiáng)［5］。其硬件電路圖，如圖5所示。(2)電壓傳感器模塊:通過P11接口接入被測裝置的電壓端，通過電壓互感器的額定電流為2mA，對感應(yīng)電流進(jìn)行整流通過R11來轉(zhuǎn)換成需要的電壓，在signal2端會輸出小于1V的模擬電壓。模擬電壓和被測裝置的電壓有正比例的關(guān)系。電壓傳感器模塊電路圖，如圖6所示。(3)溫度傳感器模塊:本設(shè)計(jì)采用美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，DS18B20支持單數(shù)據(jù)總線，即"一線總線"接口的溫度傳感器［6］。整個(gè)傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)三極管式的封裝集成電路內(nèi)。單數(shù)據(jù)總線的特點(diǎn)，使用戶更容易地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新理念。DS18B20僅通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間控制和交互也僅需一條I/O控制線，另外DS18B20的電源可以從本身用于讀寫和溫度的數(shù)據(jù)線中獲得，無需外部電源。方便了PCB的設(shè)計(jì)和制作。每個(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的64位序列號，所以多只DS18B20可以同時(shí)連在一根單線總線上，這樣就可以通過一個(gè)微處理器控制多溫度傳感器節(jié)約了微處理器的引腳資源。其硬件電路圖，如圖7所示。(4)液晶顯示模塊:串行數(shù)據(jù)傳送共分三個(gè)字節(jié)完成:第一字節(jié):串口控制－格式11111ABC，A為數(shù)據(jù)傳送方向控制:H表示數(shù)據(jù)從LCD到MCU，L表示數(shù)據(jù)從MCU到LCD;B為數(shù)據(jù)類型選擇:H表示數(shù)據(jù)是顯示數(shù)據(jù)，L表示數(shù)據(jù)是控制指令C固定為0［7］。第二字節(jié):(并行)8位數(shù)據(jù)的高4位－格式DDDD0000。第三字節(jié):(并行)8位數(shù)據(jù)的低4位－格式0000DDDD。串行接口時(shí)序參數(shù):(測試條件:T=25℃VDD=4．5V)。讀、寫數(shù)據(jù)指令每執(zhí)行完一次讀、寫操作，列地址就執(zhí)行自動加一操作。如圖8所示:(5)無線通信模塊:本設(shè)計(jì)采用的是nRF905芯片作為無線傳輸模塊，其TRX_CE/TX_EN引腳是收/發(fā)通道的控制端;PWR_UP引腳是工作模式控制端;CD引腳是接收模式下載波監(jiān)測信號輸出端;AM引腳是接收到正確的數(shù)據(jù)包地址后nRF905指示信號的輸出端;DR引腳是發(fā)射完一個(gè)數(shù)據(jù)包后芯片指示信號的輸出端;MOSI/MISO引腳是發(fā)射/接收數(shù)據(jù)的通道;CSN、SCK引腳為串行接口控制端。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器、通信協(xié)議控制等模塊，可自動處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，非常方便［8］。由于nRF905采用抗干擾能力強(qiáng)的高斯頻移鍵控調(diào)制方式，能很好的減少噪聲環(huán)境對系統(tǒng)性能的干擾。nRF905無線通信模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖9所示。

3高電壓設(shè)備智能監(jiān)測終端軟件流程設(shè)計(jì)

基站在程序執(zhí)行之前進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，根據(jù)時(shí)間進(jìn)行接收直到接收數(shù)據(jù)完畢，接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入顯示模式，可以實(shí)時(shí)觀看數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，觀看數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況。在基站里對各個(gè)參數(shù)可以設(shè)定一個(gè)參考值，但任何一個(gè)參數(shù)值超出預(yù)定的誤差，警報(bào)系統(tǒng)就會報(bào)警并顯示節(jié)點(diǎn)故障。如圖10所示。中繼的主要作用就是延長數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，在中間起到一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫瑢⒏鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的位置準(zhǔn)確的傳給基站，進(jìn)而傳給上位機(jī)，以供數(shù)據(jù)分析和參考。如圖11所示。節(jié)點(diǎn)的主要功能就是監(jiān)測高電壓設(shè)備的各種參數(shù)，通過各種傳感器電路來檢測包括:溫度、電壓、電流等參數(shù)，最終在自己的時(shí)分時(shí)間內(nèi)通過無線的方式把信息發(fā)送出去。如圖12所示。

4結(jié)論

對高電壓設(shè)備的自動監(jiān)測是現(xiàn)代電力管理技術(shù)的重要任務(wù)，準(zhǔn)確而科學(xué)地采集和處理變壓器的原始數(shù)據(jù)，能給管理決策帶來很大的效益，并能準(zhǔn)確及時(shí)地分析處理事故，減少事故。但是某些智能化動監(jiān)測系統(tǒng)較為龐大，投資高，地域適應(yīng)性差。根據(jù)各類變電所的實(shí)際情況，本文采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種專門用于高電壓設(shè)備數(shù)據(jù)采集與處理的高電壓設(shè)備智能監(jiān)測終端。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)和實(shí)用要求，而且有投資少，見效快，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。本文設(shè)計(jì)的高電壓設(shè)備智能監(jiān)測終端，在不易布線的環(huán)境下或者人工不方便監(jiān)測的環(huán)境下，通過無線傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的目的。本高電壓設(shè)備智能監(jiān)測終端體積小，能耗低，還可以應(yīng)用到其他的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中。

作者：齊迪李佳奇吳運(yùn)幸王偉正單位：大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院