低频唤醒式电厂高压开关柜触头温度监测系统设计

 发电厂内部控制发电机组运行的一系列开关柜是重要的电器设备，对其触头温度实施在线监测尤为重要。设备内部要求高低压隔离使得监测装置朝着非接触式检测方向发展，目前大多采用无线电方式进行传输，但也存在着传感器组网和功耗问题。本文采用低频唤醒的方式设计无线采集模块，让它工作在瞬时发送，长时休眠的模式下，在低频唤醒信号中加入地址信息，每次只有效唤醒一个点进行温度采集，有效避免了多个无线采集模块同时发送信息的冲突问题，用时分复用和码分复用相结合的方式实现了多个传感器组网。

1 系统工作原理及硬件设计

触头温度监测系统框图如图1所示。

每个高压开关柜有六个触头温度需要监测，下位机为置于触头臂上的无线采集模块，主要完成温度数据的采集及无线发送。上位机为置于高压开关柜外表面的无线接收模块，主要完成对应开关柜内的温度数据接收存储、液晶显示及上传报警。上位机定时发送125 kHz低频唤醒信号，下位机被唤醒后回传433 M触点温度信息。

测温模块中的微控制器采用了TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F1132，无线收发芯片采用了TI公司的极低功耗的单片收发芯片CC10 00。

下位机利用MSP430F1132内部10位AD转化模块与美信公司的MAX6613低功耗模拟温度传感器完成温度采集和编码;低频唤醒部分由低频唤醒信号接收芯片ATA5283构成，定时接收上位机发送的125 kHz的低频唤醒信号，被唤醒后启动CC1000射频模块完成一次温度采集上传，其余时间单片机进入休眠状态，CC1000射频模块进入掉电模式。电源采用电流感应方式从电力线路上获取能量，结合稳压器件和超级电容实现稳定的电能输出。

上位机的低频唤醒部分由低频唤醒信号发送芯片ATA5276构成，结合单片机定时发送125kHz的带有地址信息的低频唤醒信号，每次唤醒一个下位机，然后接收存储它上传的触点温度信息，采集完六个下位机的信息后等待PC轮询时上传。

1.1 上位机硬件设计

低频唤醒信号发送电路如图2所示，主要由ATA5276芯片和MSP430F1132单片机组成。

MSP430F1132是TI公司推出的一款的16位超低功耗单片机，集成了较多的片上外围资源，包括一个16位的定时器、10位速率为200 kbps的AD转化器、8K+256B的FLASH、256B的RAM，图2中所示，MSP430F1132共有20个引脚，其中两个八位并行数据接口P1(P1.0-P1.7)、P2(P2.0-P2.5)，这些数据接口同时有一些复用功能，如：P1.4-P1.7复用了下载程序的JTAG接口。

ATA5276是Atmel公司推出的一款用于发射低频唤醒信号的低功耗芯片。通过外部单片机控制该芯片的一个“单线双向”接口(DIO pin)就能将能量和数据通过天线线圈发射出去，频率为125 kHz，ASK调制方式。图2中DIO引脚与单片机的P2.2脚连接，当DIO引脚变为低电平时，低频唤醒信号发送模块发送125 kHz低频唤醒信号，发送完成后，单片机的P2.1脚如果能捕获到DIO引脚发出的负脉冲信号就可以确认发送成功，否则重新发送;当DIO引脚变为高电平时，不发送任何唤醒信号。

1.2 下位机硬件设计

低频唤醒接收端电路如图3所示，主要由ATA5283芯片和MSP430F1132单片机组成。

ATA5283是Atmel公司推出的一款适合于125 kHz低频信号的低频唤醒接收芯片，休眠电流为1μA，工作电流2μA，工作电压2～3.6 V。数据速率可达4 kbps，ASK调制方式。ATA5283芯片的1脚接LC并联谐振电路输入125 kHz低频信号，6脚N_DATA接单片机I/O口接收数据，7脚N_ WAKEUP接单片机TACLK口用于唤醒单片机。该芯片对125 kHz信号的接收灵敏度为1 mV，当LC电路感应出的峰值电压大于1 mV时，ATA5283的7脚N_WAKEUP端被拉低，单片机被唤醒，开始采集其6脚NDATA端的输出数据，采集完成后单片机输出一个高电平信号给ATA5283的5脚使其复位，然后单片机进入休眠状态，等待下次被唤醒。

MSP430F1132的P2.2脚接MAX6613传感器的模拟数据输出端，利用单片机内部10位AD转化模块完成温度信息的模数转换。

2 软件设计

2.1 上位机软件设计

上位机低频唤醒发送流程图如图4所示。

MSP430单片机上电初始化后，P2.2脚设为低电平，对应DIO为高电平，当发送数据时P2.2脚变为高电平，DIO脚变为低电平。首先发送8位序列头信号，延时1 ms后发送16位数据，发送完成后P2.2脚变为低电平，对应DIO变为高电平，延时约15 ms后，P2.1捕获DIO反馈的负脉冲确认信号，在CCU捕获中断服务程序内获得该信号下降沿和上升沿的时间差就能判断出所有的数据是否正确发送。

2.2 下位机软件设计

ATA5283芯片初始化后，开始侦听125 kHz频段，当有效唤醒信号出现时，在芯片WAKEUP引脚输出高电平唤醒单片机和射频模块。单片机进入接收低频唤醒信号的中断服务程序，数据通信完成后，ATA5283返回侦听模式，单片机进入休眠模式，射频模块进入掉电模式。

本文设计的低频唤醒信号数据速率为1 kbps，每个Bit持续1 ms，具体格式如表1所示。

具体工作过程：

1)8 ms的前导码(Preamble)引起芯片的工作，N_WAKEUP端被拉低，N_DATA端也被拉低。前导码必须大于5.62 ms，这是芯片本身决定的，否则不会被唤醒;
 

2)N_WAKEUP端的拉低使得单片机被唤醒;

3)每隔1 ms采集一次N_DATA端的数据，验证确认码的真伪，避免干扰信号;

4)验证成功后，每隔1 ms采集一次，共采集8次，此为上位机发送的地址信号;

5)单片机判断接收完数据后，给出一个高电平到ATA5283的RESET脚，复位ATA5283回到待机侦听模式。

单片机将接收到的地址信息与本机地址比对，若相同就唤醒其它电路完成一次温度采集发送，若不同就进入休眠模式。

下位机低频唤醒接收流程图如图5所示。

MSP430单片机上电初始化后进入LPM4休眠模式，低频唤醒数据接收和温度数据采集发送在中断程序中完成。当有输入信号时，ATA5283的N_WAKEUP端被拉低，下降沿触发MSP430进入中断服务程序，依次采集8位确认码和8位ID信息，比对接收到的地址信息，如果与本机地址相同则启动CC1000模块完成温度采集发送，完成后P1.2给ATA5283一个正脉冲复位它回到待机侦听模式。

3 总结

本文将低频唤醒芯片ATA5276和ATA5283用于电厂高压开关柜触头温度监测系统中，与射频芯片CC1000相结合实现了非接触式温度监测，并使传感器电路工作在瞬时发送和长时休眠的工作状态，有效降低了传感器端的功耗，解决了多个传感器的组网问题。