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断路器触头无线测温系统的设计与分析
[导读]输配电的电气接点测温有多重方法，比较传统的方式有测温腊片方式、红外枪测温，新兴方法有光纤测温、无线测温、红外成像测温，传统方式需要人为去不定期目测或者遥测，具有一定的不确定性，受人为因素影响大。新兴的
输配电的电气接点测温有多重方法，比较传统的方式有测温腊片方式、红外枪测温，新兴方法有光纤测温、无线测温、红外成像测温，传统方式需要人为去不定期目测或者遥测，具有一定的不确定性，受人为因素影响大。新兴的方法应用了现代电子、光电、射频等技术，手段先进、自动化程度高、测量数据准确，可以实现远程监控、报警设置、历史记录等功能。新兴的测温方法中目前应用比较多首推无线传感器测温。
本文针对无线传感器测温，分析了这种测温方式的设计和实现方法。
一、总体方案设计
无线传感器测温系统主要包括以下几个组成模块：无线温度采集传感器(简称传感器)，无线温度接收仪(简称接收仪)，后台主机(简称主机)。
图1 总体拓扑结构
上述图中无线温度传感器的功能主要实现温度数据的采集、计算、发送;无线温度数据接收仪主要实现温度数据的接收和转发;后台主机主要用于数据的展示、存储以及转发;远程监控是根据用户需求配置的，主要便于远程数据实时监控。
二、硬件设计
2.1无线温度传感器
无线温度传感器主要包含三部分：温度传感器、无线通讯模块、主控芯片,它的功能框图大致如下：
主控芯片对温度传感器进行数据采集，然后通过无线通信模块把温度数据发送出去。
2.1.1温度传感器
温度传感器的作用在于准确测量温度、根据设置将温度数据发送出去，现在温度测量的方式很多，有模拟的也有数字的，在这里我觉得采用数字温度传感器相对比较可靠，TMP35是一个在各个领域中应用比较广泛的温度传感器。
TMP35是美国AD公司出品的温度传感器，它具有工作电压低，精度高，功耗低，测量范围宽的特点。
TMP35温度传感器特性：
l 低工作电压：+2.7 V至+5.5 V
l 直接以摄氏度校准(&C)
l 比例系数：10 mV/8&C(TMP37为20 mV/8&C)
l 精度：&2&C(整个温度范围内，典型值)
l 线性度：&0.5&C(典型值)
l 能稳定驱动较大容性负载
l 额定温度范围：-40 &C至+125 &C，工作温度最高可达+150 &C
l 静态电流：小于50 &A
l 关断电流：最大0.5 &A
TMP35是低电压、精密摄氏温度传感器，提供与摄氏温度成线性比例关系的电压输出。TMP35不需要执行任何外部校准，在+25&C时典型精度为&1&C，在&40&C至+125&C温度范围内典型精度为&2&C。TMP35的低输出阻抗及其线性输出和精密校准可简化与温度控制电路和ADC的接口。器件可采用2.7 V至5.5 V的单电源供电。电源电流低于50 &A，自热效应非常小，在静止空气中小于0.1&C。此外还可以利用关断功能将电源电流降至0.5 &A以下。TMP35在 25&C时提供250 mV输出，温度测量范围为10&C至125&C。TMP35/TMP36/TMP37提供低成本3引脚TO-92、8引脚SOIC_N和5引脚SOT-23表贴三种封装。
TMP35温度传感器功能框图
2.1.2无线通信模块
CC1020是美国TI公司推出的一款高性能无线通讯芯片，也是目前物联网应用比较流行的通讯方案之一。
CC1020采用微功率发射，最大发射功率10mW。采用ISM频段,无需申请频点。载频频率433MHz，也可提供868/915MHz载频。高抗干扰能力和低误码率。基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5~10-6。传输距离远。在视距情况下，天线高度&2米,可靠传输距离可达200m(BER=1200bps)。透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。多信道。 STR系列标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到16/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。 低功耗及休眠功能。 3.0V供电情况下，接收电流&20mA，发射电流&22mA，休眠电流&3uA。高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。
2.1.3主控芯片
MEGA48是美国ATMEL公司AVR系列中的一颗低成本、低功耗单片机器，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega48 的数据吞吐率高达16 MIPS，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。MEGA48在保证高性能的同时还是一款低功耗的芯片，最低功耗仅0.5uA。
MEGA48还具有一下特点：8K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000 次;具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程;512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次;1K字节的片内SRAM;可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密;两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 其中之一有比较功能;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器;具有独立振荡器的实时计数器RTC; 三通道PWM;8 路10 位ADC。
2.2无线温度接收仪
无线温度数据接收仪主要包括一下几部分：无线通信模块、主控芯片、GPRS通信模块，如图4所示。
无线通信模块负责接收无线传感器的温度数据，主控芯片将这些数据包装后通过GPRS通信模块发送给主站，无线通信模块与无线温度传感器中采用的是相同模块，故不再赘述。
2.2.1主控芯片
STM32F103V8T6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Thumb-2&指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速;所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。它的工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART。 STM32F103V8T6可以工作于-40&C至+105&C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
2.2.2 GPRS通信模块
MC52i是西门子公司提供的GPRS模块，应用于笔记本、掌上电脑、微型电话及其他工业设备中。它的优势在于：永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度;另外还具备快速GPRS 技术。MC52i GPRS模块还具备以下技术特点：体积小、重量轻;GPRS多达10个通道类别;支持数据、语音、短消息和传真;支持AT 命令集控制;具备R&TTE 认证、GCF认证;SMS:MT/MO/CB/PDU模式;内嵌TCP/IP协议栈;支持电压范围：3.3 至4.8V ;最低电流消耗：100 &A(掉电);最大电流消耗： 300 mA (通话，最高2.0 A);环境温度: &20&C to +55&C 。
三、固件设计
固件设计是整个系统的灵魂，也是系统可靠性的关键环节，为了简化篇幅，这里仅对程序流程做一个简要的介绍。
3.1无线温度传感器
上图左边为主程序流程图，右边为中断服务程序。
3.2无线温度接收仪
上图左边为主程序流程图，右边为中断服务程序。
四、可靠性设计
无线传感器及射频收发模块是弱电子产品，工作在强电磁、高电压、大电流的环境里，可靠性是一个非常大的考验，为了防止外界干扰，最有效的措施就是采用屏蔽材料将敏感电路保护起来，事实证明这是必须和有效的。
解决电磁干扰另一个有效措施就是如何布线和接地，PCB在设计中要考虑信号与地线的关系，同样外部通讯电缆也需要考虑如何接地的问题。
4.3电气安全设计
应用于高压电力方面的产品在设计中一定要考虑好如何安全地工作，这其中包括电气安全距离、材料耐候性和阻燃性、安装便捷及可靠性等等。
4.4器件选择
由于使用环境比较恶劣，器件选择是非常有讲究的，所有元器件必须是工业级甚至更高级别的;重要电路必须增加保护器件。
五、后台软件设计
后台是用户直接可以接触到产品，人机界面的友好性、功能操作的实用性、版面设计的美观度都是一个良好后台软件必备的条件。
上图为后台软件的温度曲线界面，通过上图可以观察到指定时刻或时段内温度变化情况。
六、结束语
断路器触头等高压电气接头测温是一个必须而有挑战性的需求，围绕着它产生了诸多解决方案，论文中所应用的无线通信技术在其他领域也得到了广泛采纳，方兴未艾的&物联网&、&RFID&就是实例，电网要走向智能化，底层的电压、电流、温度等信号的采集是关键，无线高压电气接头测温就是底层信号采集的一个探索，希望能够为智能电网的建设做出一些有益的尝试。
参考文献：
1.《机电之家》 作者：马云峰
2.《基于CC1020的无线通信模块设计》作者：文俊峰乔晓军 张文爱 冯登超
3.《传感器简明手册及应用电路》作者：刘畅生 于建国 张昌民 宣宗强
4.《基于ARM Cortex-M3的系列嵌入式微控制器应用》作者：彭刚春志强
5.《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》作者：马潮
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低功耗无线测温系统的设计
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产品分类 Products
&&&&&&&中远距离无线RS232/RS485&&&&支持无线唤醒的超低功耗数传模块&&&&&&&配套电脑端无线数传模块&&&&&&&&&&无源RFID&身份识别&&&&&&&&&&温度&定时无线采集模块
设计一款无线模块能带给您什么价值？
　　工业4.0的核心就是：设计模块化，生产自动化，管理标准化，而RFinchina唯一做的就是无线模块化，无线应用简单化，这就是RFinchina的理念。产品设计无需天花乱坠的浮夸，更需工匠精神，一点一点的雕琢，浑然天成。没有最好的装饰，只有最合身的装束，生活如此，做产品也一样，我们不高假大空，只做最实用的产品，做最真实的无线应用传播者和推广者。
　　尽管无线技术普及和发展的速度继续领先绝大部分相关工程要素的速度，但通过购买现成的射频芯片并把其与天线连接起来，仍不能使OEM实现一个完整设计。其中阻抗匹配和PCB布局优化等因素对RF设计提出艰巨挑战。虽然无线IC制造商在芯片开发过程中、在硅片级投入了大量时间和资金以解决各种设计挑战，但从设计精良的RFIC到将其成功整合进OEM产品还有相当的距离。因此，RF参考模块应运而生，为OEM围绕芯片进行应用设计提供了便利，所以模块能给您带来的价值就是让无线应用简单化，让您少走弯路，仅此而已。
&&&& 在做出对一款陌生的射频芯片在研发资金和时间方面进行不菲的投入决策前，OEM想做的第一步是评估该无线IC的性能。RF参考模块就提供了这样一种平台，它一般与带所需固件的开发或评估工具包连接使用。利用该模块可进行室内或室外的覆盖距离测试。OEM借此模块可大致了解该射频芯片的实际性能。
图1：采用差分天线的模块
所以，产品开发商所需评估的将仅是射频的标测基准性能，此举规避了OEM仅凭数据手册规范而非实际性能就着手进行基于该芯片的设计带来的风险。避开高频这一黑匣子，更多只需要应用层软件设计，从而大大降低了投资风险。
&&&&& 用SMA或微型同轴连接器（见图2）取代天线时，可实现该RF参考模块的另一种方式。这一种简化了直到天线端电路链路的传导RF测量的实施处理。这种模块还为进一步研究RF管脚后链路的匹配网络、利用网络分析仪所进行回波损耗和阻抗测量成为可能。此举使OEM有能力根据其所拟用的天线修改匹配网络。借助频谱分析仪或功率表可进行诸如不同功放等级的峰值RF输出功率等传导测量。还可测量感兴趣频带的杂散谐波。可对发射机占用频段和接收机传导杂散进行测量和检测以确定它们是否满足无线管理委员会相关规约。
图2：采用SMA单鞭天线的模块
PCB布局和原理图设计要点
&&&&& RF参考模块提供了采用该射频芯片的典型应用电路原理图及满足该模块规范的优化PCB布局。因芯片制造商为RF布局工程师提供了充足资源放手让他们为了确保最佳性能对PCB进行修改优化，所以，OEM在布局时可能犯的若干错误，射频芯片厂家都已为它们修正过了。这些可能的失误包括：
（a）如引入边带噪声的将晶体放置在RF输出匹配回路下面
（b）可使接收机性能降低几个dB的支离破碎的地电位孤“岛”；
（c）在其附近排布类似螺丝等机械元件，这种做法易于使天线失谐；
（d）可导致ESD失效的封闭走线错误。
&&&&& 无线模块的PCB线迹的线宽需要考虑到不同信号（如电源线和发射输出的发射线等）的要求。另外，制造商一般会把重要的IC管脚引出到接线端子排或测试点以方便测试测量。若OEM打算利用外接功放加大 发射功率来拓展覆盖范围，参考模块可提供驱动功放的几个管脚并采用外接RX-TX状态RF切换。在设计中采用的是建议的电源去耦电容值。采用参考模块的另一个显著好处是若制造商采用的是PCB导线式天线，则你就拥有了可工作的天线设计从而省去了模拟测试各种其他天线拓扑的麻烦。借助参考模块可方便地估算你的设计所需的PCB层数和PCB厚度。
原材料成本估算及FCC认证
&&&&& 就低成本应用来说，RFIC所需外围器件数，常常决定在两款具有相同RF数据指标的射频芯片间的取舍。借助RF参考模块可准确估算所需原材料及搭建OEM自己模块所需的大致成本。制造商一般选用可方便从分销商处买到的分离器件。
&&&&& 一些射频IC制造商的RF参考模块已经过了FCC的预认证。这些RF参考模块都通过了若干FCC测试，如：杂散发射测试、输出功率和占用带宽测试等。预认证规避了产品开发商面临的一个主要瓶颈，特别是当原理图和布局是原封不同照搬RF参考模块时更是省事。
&&&&& RF参考模块使OEM有能力立即评估该射频芯片、可对其应用所需的原材料成本进行精准估算分析、并拥有了经过充分测试的设计指导。这样就加快了其产品的上市速度、进而降低前期开发成本和风险，提升了其投资回报率。因此，RF参考模块在无线通信领域具有一定的是实用参考价值。希望国内各无线模组供应商以精益求精的态度，加速无线通信领域的快速发展。
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