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(shù)，采用TinyARM系列嵌入式工控模塊及MSP430F122單片機(jī),，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有布線簡單,、安裝維護(hù)方便,、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測,，可有效預(yù)防和杜絕電纜火災(zāi)事故的發(fā)生,。
關(guān)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(zāi)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(bào)警,、報(bào)警溫度固定、故障信號不全,、布線復(fù)雜,、維護(hù)工作量大和設(shè)備成本高等不足。針對以上問題,，設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)備工作環(huán)境狀態(tài)，預(yù)防和杜絕電纜火災(zāi)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(shí)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(jìn)行分析,、處理,，得出溫度變化趨勢曲線，并根據(jù)設(shè)定的不同溫度告警值進(jìn)行分級報(bào)警,。電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示,。

2 電路硬件設(shè)計(jì)
2.1 溫度傳感器的硬件設(shè)計(jì)
　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(shè)計(jì)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(fù)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(shí)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(hù)電路；第23腳TA1作為雙向I/O口接至溫度傳感器DS18B20,，負(fù)責(zé)從溫度傳感器讀取測點(diǎn)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(dǎo)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)（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(hù)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(jī)處理器MSP430F122的第15,、16腳，提供M-Bus集成芯片TSS721與從機(jī)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(biāo)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(jī)供電,；PF引腳與從機(jī)微處理器MSP430F122的第25腳TCK引腳相連，進(jìn)行掉電檢測,，掉電時(shí)通知微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)掉電保存,。
2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)
　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(jī)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(dāng)接收到上位機(jī)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(jī)。數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)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(shè)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(guān)量輸入/輸出,，RS-232、RS-485,、CAN-Bus和以太網(wǎng)等,，都具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)接入能力，可滿足眾多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)需求,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 溫度傳感器的軟件設(shè)計(jì)
　數(shù)字傳感器DS18B20將測點(diǎn)的實(shí)時(shí)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(fù)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(fù)位信號和ROM功能命令開始,，對總線上的DS18B20來說，每一次復(fù)位信號意味著一次通信的開始,，器件的響應(yīng)是以拉低總線向主機(jī)發(fā)出一個存在脈沖來實(shí)現(xiàn)的,，之后器件準(zhǔn)備接收ROM功能命令,，然后再完成其他對應(yīng)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(shí)器的捕捉功能自動實(shí)現(xiàn),，不需要軟件控制,，當(dāng)捕獲器檢測到起始位以后由接收中斷服務(wù)子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，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(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)核心部分為采集系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)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(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4],。在此開發(fā)平臺上,，將數(shù)據(jù)采集任務(wù)分為3個任務(wù)，各任務(wù)間的關(guān)系如圖6所示,。

?。?）Task0主要是進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的接收、解包處理。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí),，進(jìn)行解包識別,，根據(jù)不同命令發(fā)送不同信號量到任務(wù)2。
?。?）Task1主要負(fù)責(zé)和上位機(jī)的通信,，根據(jù)Task1的命令信息進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí),，讀取傳感器數(shù)據(jù),，并進(jìn)行打包處理和發(fā)送；當(dāng)收到存儲數(shù)據(jù)ROM碼時(shí),，存儲至文件系統(tǒng),。
　（3）Task2主要負(fù)責(zé)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(fù)載的感溫探頭數(shù)量設(shè)置X9015基準(zhǔn)電平,，以便于接收,；最后打開ARM的A/D采樣進(jìn)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(shí)間為1/2 400 s,。為了保證數(shù)據(jù)分析正確率，對每位進(jìn)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(jìn)行兩路的采集,，則A/D時(shí)鐘設(shè)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(yàn)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(yīng)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(shí),，首先計(jì)算無信號傳輸時(shí)的總線電壓,，再將采集的電壓值與無信號時(shí)的總線電壓進(jìn)行比較，找到起始位,；依次對各位進(jìn)行判斷,。數(shù)據(jù)分析流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試與運(yùn)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(shè)計(jì)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(shí)測，此時(shí)每路M-Bus負(fù)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(jī)供電要求和M-Bus協(xié)議要求。

　由圖10可見,，波形符合計(jì)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(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),。
　上位機(jī)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(shí)時(shí)模擬顯示出各個段的溫度數(shù)據(jù),。其中一組實(shí)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(jī)通信,，正常采集溫度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),。
從實(shí)際應(yīng)用情況來看,，該系統(tǒng)達(dá)到了專業(yè)化監(jiān)測系統(tǒng)的水平。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,；同時(shí)具有布線和維護(hù)簡單,、智能化程度高、能全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn),，對同類產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉媛，張勇,，雷濤,，等．分布式光纖測溫技術(shù)在電纜溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．山東科學(xué)，2008,，21（6）．
[2] 趙光興,，張帆．基于MSP430單片機(jī)的高壓開關(guān)柜溫度在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國儀器儀表，2008（6）：55-57.
[3] Song Peng,， Wang Junjie. Research on Protocol of instrument bus M-Bus [J]. Process Automation Instrumentation,， 2004，8（5）.
[4] 馮澤東,，邵貝貝．用協(xié)處理器提高μC/OS-Ⅱ的實(shí)時(shí)性[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,，2008（4）：18-21.