摘 要： 針對目前電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，基于M-Bus總線與CAN總線技術，采用TinyARM系列嵌入式工控模塊及MSP430F122單片機，設計并實現(xiàn)了一種新型的電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。實際運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有布線簡單、安裝維護方便、智能化程度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)全天候?qū)崟r監(jiān)測，可有效預防和杜絕電纜火災事故的發(fā)生。
關鍵詞： DS18B20：M-Bus；ARM7；溫度監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集器
隨著工業(yè)自動化水平日益提高，電力電纜用量日益增多，電纜火災事故的發(fā)生幾率也隨之增大。目前常用的電力電纜溫度監(jiān)測方法有感溫電纜式測溫系統(tǒng)、熱敏電阻式測溫系統(tǒng)和光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)[1]等三種，但都存在易出現(xiàn)破壞性報警、報警溫度固定、故障信號不全、布線復雜、維護工作量大和設備成本高等不足。針對以上問題，設計實現(xiàn)了一種新型電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，能有效監(jiān)控電力電纜設備工作環(huán)境狀態(tài)，預防和杜絕電纜火災事故的發(fā)生。
1 系統(tǒng)概述
電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由后臺監(jiān)控系統(tǒng)、嵌入式溫度采集單元、M-Bus數(shù)字溫度傳感器三部分組成。首先M-Bus數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測出電纜的實際溫度值，溫度傳感器通過歐洲儀表總線M-Bus與數(shù)據(jù)采集單元連接，數(shù)據(jù)采集單元將溫度數(shù)據(jù)采集后通過CAN總線上傳給后臺監(jiān)測工作站，后臺監(jiān)控系統(tǒng)對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行分析、處理，得出溫度變化趨勢曲線，并根據(jù)設定的不同溫度告警值進行分級報警。電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計圖如圖1所示。
2 電路硬件設計
2.1 溫度傳感器的硬件設計
溫度傳感器硬件系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度傳感器、主控制器和M-Bus總線接口等3個部分組成。該溫度傳感器終端采用M-Bus總線，線纜既可完成數(shù)據(jù)通信功能，又可為溫度傳感器單元供電，從而使溫度傳感器單元的硬件設計最大程度簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。溫度傳感器單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
溫度傳感器主控制器（MSP430F122微處理器）的第7腳外接電阻R6和電容C4，組成系統(tǒng)的上電復位電路，其第5腳、第6腳外接一個4 MHz的晶體振蕩器T1、電容C2、C3，組成系統(tǒng)時鐘電路；第15腳、16腳連至M-Bus總線接口芯片TSS721的串口上，其中UTXD0作為輸出口向TSS721芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，URXD0作為輸入口接收數(shù)據(jù)從芯片TSS721發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；其25腳接至TSS721的第5腳，組成系統(tǒng)斷電保護電路；第23腳TA1作為雙向I/O口接至溫度傳感器DS18B20，負責從溫度傳感器讀取測點溫度值；通過第2腳接在TSS721芯片上的第11腳VDD穩(wěn)壓輸出端，通過M-Bus總線給微處理器供電。
2.1.2 溫度傳感器
測溫系統(tǒng)選用目前非常成熟的數(shù)字傳感器芯片DS18B20。DS18B20第1腳、第3腳分別與地線、電源線連接，第2腳外接一個4.7 kΩ上拉電阻后接至主控制器MSP430F122的第23腳TA1。本系統(tǒng)采用電纜直接接觸測溫的方式，將傳感器DS18B20與主控制器及M-Bus芯片組成的傳感器系統(tǒng)電路板封裝于不銹鋼金屬套內(nèi)并灌入導熱膠封裝，用引線將數(shù)據(jù)線引出，使得傳感器具有防擠壓和防水的能力，并能有效屏蔽電纜線路對傳感器系統(tǒng)的干擾。
2.1.3 M-Bus接口單元
M-Bus總線是由Paderborn大學的Horst Ziegler與TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出[3]的。TSS721是根據(jù)M-Bus通信標準（EN1434-3）生產(chǎn)的M-Bus總線專用的終端收發(fā)器集成芯片。M-Bus接口電路圖如圖4所示。
TSS721的兩個引腳BUSL1、BUSL2通過220 ?贅的保護電阻后接至M-Bus總線上，作為TSS721與M-Bus總線間提供數(shù)據(jù)交換的通道；RX和TX引腳連接到從機處理器MSP430F122的第15、16腳，提供M-Bus集成芯片TSS721與從機微處理間的數(shù)據(jù)通信；SC為采樣電容連接端，保證TSS721在標志狀態(tài)下，能夠獲取靜態(tài)電流；STC為供電電容接入端，保證TSS721在空閑狀態(tài)下提供附件脈沖電流；VDD為穩(wěn)壓輸出端，可提供3.3 V的電壓維持從機供電；PF引腳與從機微處理器MSP430F122的第25腳TCK引腳相連，進行掉電檢測，掉電時通知微處理器進行數(shù)據(jù)掉電保存。
2.2 數(shù)據(jù)采集單元設計
嵌入式M-Bus數(shù)據(jù)采集單元硬件部分由主控模塊、電源、M-Bus收發(fā)電路、CAN總線通信電路等組成。在系統(tǒng)初始化完成后，上位機通過CAN總線將每路M-Bus上掛靠的傳感器的地址碼發(fā)給嵌入式M-Bus數(shù)據(jù)采集單元并儲存地址碼；采集器主模塊讀取地址碼，通過串口向M-Bus發(fā)送采集命令，通過M-Bus接收電路調(diào)理之后，傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送信號送入主控模塊A/D；主控模塊通過軟件分析得到數(shù)據(jù)并存儲；當接收到上位機要求發(fā)送所有掛靠的傳感器命令之后，采集器將數(shù)據(jù)打包上傳至上位機。數(shù)據(jù)采集單元總體設計圖如圖5所示。
系統(tǒng)采用32 bit ARM芯片LPC2387作為核心主控芯片。TinyARM T2387嵌入式工控模塊是將ARM最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)控制器、低功耗RTC及海量存儲設備高度集成于一塊尺寸僅為45 mm×32 mm的PCB板上，結(jié)合同樣可以定制的底板，靈活地配置I/O和各種通信口。例如模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出，RS-232、RS-485、CAN-Bus和以太網(wǎng)等，都具有很強的網(wǎng)絡接入能力，可滿足眾多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)需求。
3 軟件設計
3.1 溫度傳感器的軟件設計
數(shù)字傳感器DS18B20將測點的實時溫度值存于其高速緩存器中，測溫終端中微處理器MSP430F122周而復始地從數(shù)字傳感器DS18B20中采集并存儲溫度信息。
微處理器對DS18B20的每一次訪問都以復位信號和ROM功能命令開始，對總線上的DS18B20來說，每一次復位信號意味著一次通信的開始，器件的響應是以拉低總線向主機發(fā)出一個存在脈沖來實現(xiàn)的，之后器件準備接收ROM功能命令，然后再完成其他對應操作。
溫度傳感器單元接收模塊初始化后，接收數(shù)據(jù)的起始位的檢測由定時器的捕捉功能自動實現(xiàn)，不需要軟件控制，當捕獲器檢測到起始位以后由接收中斷服務子程序進行數(shù)據(jù)接收。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序完成數(shù)據(jù)發(fā)送。
3.2 采集系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)核心部分為采集系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)處理的實時性有較高的要求。而μC/OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務實時操作系統(tǒng)[4]。在此開發(fā)平臺上，將數(shù)據(jù)采集任務分為3個任務，各任務間的關系如圖6所示。
?。?）Task0主要是進行CAN數(shù)據(jù)的接收、解包處理。當收到數(shù)據(jù)時，進行解包識別，根據(jù)不同命令發(fā)送不同信號量到任務2。
（2）Task1主要負責和上位機的通信，根據(jù)Task1的命令信息進行相應處理。當收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時，讀取傳感器數(shù)據(jù)，并進行打包處理和發(fā)送；當收到存儲數(shù)據(jù)ROM碼時，存儲至文件系統(tǒng)。
（3）Task2主要負責數(shù)據(jù)的采集。讀取文件系統(tǒng)存儲的DS18B20地址碼發(fā)送至M-Bus上，并通過A/D采集。
溫度數(shù)據(jù)的采集是本系統(tǒng)最基本也是最重要的功能。首先讀取文件系統(tǒng)中兩路M-Bus的DS18B20地址碼，通過UART0和UART3發(fā)送至CAN總線上；然后根據(jù)每路負載的感溫探頭數(shù)量設置X9015基準電平，以便于接收；最后打開ARM的A/D采樣進行采集和分析，得出正確的溫度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。
本系統(tǒng)UART0、UART3波特率為2 400 b/s，每一位數(shù)據(jù)時間為1/2 400 s。為了保證數(shù)據(jù)分析正確率，對每位進行16次A/D采集；然后根據(jù)16個數(shù)中高、低電平的個數(shù)確定本位為高電平或低電平。A/D采樣精度為10 bit，每次進行兩路的采集，則A/D時鐘設置為：
2 400×16×10×2=768 000 Hz
感溫探頭回發(fā)數(shù)據(jù)為3 B，前2 B為溫度數(shù)值，最后一個字節(jié)為前2 B的校驗和。如果數(shù)據(jù)不正確，則丟棄。由于每位采集16次，3 B加起始位、停止位，至少應采集（16×30=480個）480個數(shù)據(jù)。為確保采集到數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)每次采集1 400個數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分析時，首先計算無信號傳輸時的總線電壓，再將采集的電壓值與無信號時的總線電壓進行比較，找到起始位；依次對各位進行判斷。數(shù)據(jù)分析流程如圖8所示。
4 系統(tǒng)測試與運行
在現(xiàn)場采集中，一般每路M-Bus上掛靠約30個感溫探頭。為保證留有一定裕量，本系統(tǒng)設計在每路M-Bus上掛靠50個感溫探頭，兩路共掛靠100個感溫探頭。經(jīng)過實測，此時每路M-Bus負載電流為0.15 A左右，采集板36 V電源輸出總電流為0.41 A。數(shù)據(jù)采集單元向M-Bus下發(fā)信號波形高電平為34.5 V，低電平拉至17 V，峰-峰值為17 V，滿足下位機供電要求和M-Bus協(xié)議要求。
由圖10可見，波形符合計算值，且有了很好的改善，更便于采集和分析。通過測試，數(shù)據(jù)采集單元能夠正常采集溫度，達到預期設計目標。
上位機通過收集各個數(shù)據(jù)采集單元的溫度，根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元的具體位置，實時模擬顯示出各個段的溫度數(shù)據(jù)。其中一組實測電纜溫度如圖11所示。
通過測試，數(shù)據(jù)采集單元能夠正常與上位機通信，正常采集溫度，達到預期設計目標。
從實際應用情況來看，該系統(tǒng)達到了專業(yè)化監(jiān)測系統(tǒng)的水平。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實可靠；同時具有布線和維護簡單、智能化程度高、能全天候?qū)崟r監(jiān)控的優(yōu)點，對同類產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)設計有較大的參考價值。
參考文獻
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