摘 要： 提出了基于SI1000無(wú)線SoC片上系統(tǒng)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了輸電線路監(jiān)測(cè)單元的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。該監(jiān)測(cè)單元的適用性廣，在無(wú)人值守、沒有市電、短距離長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合尤為適用。
關(guān)鍵詞： SI1000； 輸電線路； 無(wú)線傳輸； 微功耗； 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)
在架空輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，需要針對(duì)導(dǎo)線溫度、金具溫度、導(dǎo)線弧垂、絕緣子風(fēng)偏、覆冰厚度、微風(fēng)振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。由于各類參數(shù)的監(jiān)測(cè)單元安裝位置是在輸電線路上,因此要求其體積盡可能小、重量輕、安裝方便。由于針對(duì)線上取電，相關(guān)部門有嚴(yán)格的條件要求，因此必須考慮合理的方式來(lái)解決監(jiān)測(cè)單元的供電問(wèn)題。針對(duì)以上的應(yīng)用場(chǎng)合，本文介紹了一種微功耗的無(wú)線監(jiān)測(cè)單元，采用了無(wú)線SoC片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，使得其體積小、重量輕、功耗極低，僅使用電池供電，可以滿足監(jiān)測(cè)單元在長(zhǎng)期無(wú)市電的條件下可靠正常工作。
1 工作原理
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元工作原理框圖如圖1所示。
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元安裝于架空輸電導(dǎo)地線上，負(fù)責(zé)各類傳感要素的測(cè)量，例如導(dǎo)線溫度、金具溫度、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線風(fēng)偏等。傳感器將采集到的電測(cè)量接入微控制器SI1000，經(jīng)SI1000處理后得到相應(yīng)的物理量，然后通過(guò)無(wú)線射頻接口RF發(fā)送到在線監(jiān)測(cè)單元。無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的電源采用鋰電池供電，降低了監(jiān)測(cè)單元對(duì)外部電源的依賴性。在線監(jiān)測(cè)單元通過(guò)SI1000單片機(jī)的無(wú)線射頻接口接收來(lái)自無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，提供給遠(yuǎn)程主站，主站可對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。由于在線監(jiān)測(cè)單元的安裝位置不在架空線路上，其電源可通過(guò)多種方式提供。
每個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)單元有自己唯一的ID，主站可通過(guò)該ID地址來(lái)識(shí)別線路傳感器的類型和位置。無(wú)線監(jiān)測(cè)單元采用自報(bào)的方式向主站系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，每隔一定的時(shí)間間隔向主站報(bào)送數(shù)據(jù)，平時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)單元處于掉電狀態(tài)，因此無(wú)線監(jiān)測(cè)單元功耗很小，可長(zhǎng)期在無(wú)外部電源的供應(yīng)下在線工作。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 SI1000單片機(jī)功能特點(diǎn)
SI1000是一款微功耗、小體積并具備強(qiáng)大無(wú)線通信功能的51類型的單片機(jī)，作為無(wú)線采集單元的核心部件,負(fù)責(zé)采集傳感器的信號(hào)并通過(guò)無(wú)線射頻接口與主站通信。該芯片由美國(guó)Silicon Labs公司推出，內(nèi)部集成了25 MHz的8051內(nèi)核、EZRadioPRO系列的射頻模塊、64 KB的Flash、4 KB+256 B的RAM,封裝在5 mm×7 mm的42-pin QFN 貼片中。
該處理器工作在掉電狀態(tài)僅有0.1 ?滋A左右的電流，僅內(nèi)部RTC工作時(shí)，功耗為0.6 ?滋A。SI1000微控制器內(nèi)部使用四線制SPI總線(MOSI、MISO、SCK和NSS)與射頻模塊進(jìn)行通信，SI1000將射頻模塊作為外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)，可以通過(guò)設(shè)置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發(fā)的各項(xiàng)參數(shù)。SI1000內(nèi)部的EZRadioPRO系列射頻模塊輸出頻率符合ISM標(biāo)準(zhǔn)，可從240 MHz~960 MHz調(diào)制輸出。具有接收、發(fā)送、空閑、掉電等多種工作模式，以滿足低功耗的應(yīng)用要求，不同模式之間通過(guò)寄存器設(shè)置可自由切換。具有FSK、GFSK、OOK等多種無(wú)線傳輸調(diào)制方式，最大輸出功率達(dá)到20 dBm，接收靈敏度為-121 dBm，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)最大傳輸距離能到2 000 m。具有AFC自動(dòng)頻率控制功能，有效減小由于晶體精度、工作溫度引起的頻率誤差。
2.2電路原理
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的硬件電路原理如圖2所示，主要由電源、看門狗電路、無(wú)線射頻匹配電路、傳感器電路和SI1000單片機(jī)構(gòu)成。
其中，電源由鋰電池和3.3 V LDO線性穩(wěn)壓源組成，鋰電池輸出3.6 V電壓經(jīng)過(guò)3.3 V LDO轉(zhuǎn)換輸出3.3 V電壓，為整個(gè)無(wú)線采集單元電路供電。鋰電池體積小、便于安裝，重量輕，減輕了對(duì)輸電線路的承重，而且容量大，可滿足無(wú)線采集單元在輸電線路上長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的用電要求。
看門狗電路的輸入與輸出均連接到SI1000單片機(jī)的外部引腳上，其輸入作為SI1000給它的喂狗信號(hào)，輸出作為SI1000的復(fù)位信號(hào)。SI1000必須間隔一定時(shí)間喂狗，否則超出給定間隔時(shí)間后，看門狗將會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)使SI1000復(fù)位?？撮T狗電路的主要作用是為了避免無(wú)線監(jiān)測(cè)單元長(zhǎng)期工作在無(wú)人值守的惡劣環(huán)境下意外出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，保證了單元長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。
射頻阻抗匹配電路為SI1000單片機(jī)內(nèi)部射頻模塊的外圍匹配電路，它與射頻模塊的收發(fā)信號(hào)相連接。匹配電路中的電阻、電容、電感參數(shù)與無(wú)線收發(fā)頻率相關(guān)，需根據(jù)無(wú)線頻率大小來(lái)匹配相應(yīng)的參數(shù)值。
JTAG是SI1000單片機(jī)程序仿真下載接口。用戶可通過(guò)該接口將應(yīng)用程序代碼下載到單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，并進(jìn)行在線仿真調(diào)試。
傳感器電路負(fù)責(zé)將架空輸電線路的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)接入到SI1000單片機(jī)，例如本設(shè)計(jì)中的溫度傳感器，其將感知的導(dǎo)線溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口接入到SI1000單片機(jī)。
2.3 射頻電路PCB板布線原則
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的射頻電路部分為高頻電路，PCB板布線是否合理直接影響到整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的通信性能。在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，射頻收發(fā)電路平行直線布置，不能出現(xiàn)折彎甚至是交叉；射頻電路底層不能走信號(hào)線；低頻電路部分與射頻部分電路整體分開布置，數(shù)字地和模擬地之間使用磁珠隔離，并做到一點(diǎn)連接；射頻電路的地線使用大面積敷銅，接地點(diǎn)使用過(guò)孔直接連接到敷銅地，盡量減少對(duì)地阻抗；使用多層板進(jìn)行PCB板布線，SI1000芯片底面接地點(diǎn)使用大過(guò)孔直接與多層的敷銅地連接。
3 軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：(1)通過(guò)傳感器采集線路上的模擬量數(shù)據(jù)； (2)將采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送到主站。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，下面重點(diǎn)介紹無(wú)線傳輸部分功能的軟件實(shí)現(xiàn)。
3.1無(wú)線通信規(guī)約
該通信規(guī)約使用三層IEC模型，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層，包結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中前導(dǎo)序列、同步字為物理層，源地址、目的地址、報(bào)文長(zhǎng)度、CRC校驗(yàn)為數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)為應(yīng)用層。
前導(dǎo)序列為一串10101010位序列，可看作整個(gè)無(wú)線通信幀的起始標(biāo)志，8 bit為1 B，字節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置范圍為1~256。同步字為無(wú)線數(shù)據(jù)開始接收的時(shí)鐘同步標(biāo)志，長(zhǎng)度可設(shè)置為1 B~4 B。
在前導(dǎo)序列和同步字設(shè)定好之后，SI1000內(nèi)部的序列檢測(cè)器將按照設(shè)定的前導(dǎo)序列進(jìn)行匹配，匹配成功之后緊跟著定時(shí)接收設(shè)定的同步字，在同步字接收成功后，開始源地址和目的地址的接收。
源地址由4 B寄存器組成，可作為無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的地址匹配接收，源地址的每一位可以與無(wú)線監(jiān)測(cè)單元地址的每一位進(jìn)行匹配，只有是本單元地址的數(shù)據(jù)才進(jìn)行繼續(xù)接收。
目的地址也由4 B寄存器組成，可用于存儲(chǔ)無(wú)線監(jiān)測(cè)單元將要發(fā)送的目的地址。無(wú)線通信幀發(fā)送時(shí)，硬件將其自動(dòng)添加到該幀中并發(fā)送。
報(bào)文長(zhǎng)度存儲(chǔ)了發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,最大255 B。
CRC校驗(yàn)為曼徹斯特循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，包括了從地址、報(bào)文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)等三層的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
3.2 無(wú)線傳輸機(jī)制
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的射頻傳輸采用了載波偵聽/沖突檢測(cè)隨機(jī)避讓機(jī)制(CSMA/CD)，使用該機(jī)制避免了無(wú)線通道在不同節(jié)點(diǎn)互用時(shí)的沖突。流程圖如圖4所示。
在使用該機(jī)制時(shí)，必須先使能SI1000發(fā)送控制寄存器中的LBTEN位。無(wú)線傳輸前，先監(jiān)聽0.5 ms，如果在這段時(shí)間無(wú)線通道是空閑的，通道空閑的檢測(cè)由RSSI接收信號(hào)能量監(jiān)測(cè)器來(lái)完成，當(dāng)接收信號(hào)能量小于某一門檻值時(shí)，RSSI將指示無(wú)線通道處于空閑狀態(tài)。然后繼續(xù)監(jiān)聽4.5 ms，如果無(wú)線通道仍然空閑，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如果在4.5 ms期間，無(wú)線通道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽5 ms再加上一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，隨機(jī)時(shí)間TPS=n×LPTI[6:0]，其中n為硬件自動(dòng)產(chǎn)生的范圍從0~15隨機(jī)數(shù)，LPTI是無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)間隔時(shí)間寄存器。監(jiān)聽期間，如果無(wú)線通道空閑，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，否則判斷監(jiān)聽次數(shù)是否小于設(shè)定的最大監(jiān)聽次數(shù)，如果小于則重新開始監(jiān)聽，否則返回通道發(fā)送錯(cuò)誤信息。
3.3 無(wú)線監(jiān)測(cè)單元工作流程
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元的基本工作流程如圖5所示。
在使用EZRadioPRO系列的射頻模塊前，首先需要初始化SI1000與其通信的SPI接口功能，使得SI1000處理器能對(duì)射頻模塊進(jìn)行參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的讀寫，函數(shù)原型如下：
void SPI_Init (void)
{
// Init SPI
SPI1CFG = 0x40; // 設(shè)置SI1000為SPI1主機(jī)
SPI1CN = 0x00; // 使用3線制通信模式
SPI1CKR = SPI_CKR_VALUE; // 設(shè)置SPI傳輸速率
SPI1CN |= 0x01; // 使能SPI接口
NSS = 1; // NSS無(wú)效
}
然后需要通過(guò)EZRadioPRO協(xié)議棧的EZMacPRO_Init()函數(shù)來(lái)初始化射頻模塊的基本參數(shù)和功能，函數(shù)原型如下：
Void EZMacPRO_Init(void)
{
EZMacProReg.name.MCR = 0x24;
// 配置無(wú)線收發(fā)通信速率9 600 bps
EZMacProReg.name.TCR = 0x78;
// 配置輸出功率20dBm,LBTEN=1(載波監(jiān)聽)
EZMacProReg.name.LBTLR = 0x78;
// 配置信道閾值-60 dBm,判斷信道是否空閑
EZMacProReg.name.LBTIR = 0x85;
// 設(shè)置碰撞避讓時(shí)間0.5 ms
EZMacProReg.name.MPL= 0x40;
// 配置發(fā)送最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度64 B
EZMacProReg.name.SFID = SrcAddr;
// 配置無(wú)線監(jiān)測(cè)單元源地址
......
}
射頻模塊初始化完畢，SI1000進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待自報(bào)時(shí)間到時(shí)開始進(jìn)行傳感器的測(cè)量。數(shù)據(jù)測(cè)量完后，射頻模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)并執(zhí)行發(fā)送功能函數(shù)將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，執(zhí)行發(fā)送功能函數(shù)時(shí)需要判斷發(fā)送是否成功，如果失敗，則重發(fā)，直到發(fā)送成功或者超出重試次數(shù)才退出發(fā)送，SI1000重新進(jìn)入到睡眠狀態(tài)。
在無(wú)遮擋的開闊地環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，無(wú)線采集單元可靠通信距離達(dá)到1 000 m；無(wú)線監(jiān)測(cè)單元平時(shí)工作電流僅為微安級(jí)，理論上使用1節(jié)電池便能維持其連續(xù)工作5年，考慮到電源的損耗及電池本身老化的因素，無(wú)線監(jiān)測(cè)單元可在無(wú)市電的條件下可靠運(yùn)行3年；使用SI1000實(shí)現(xiàn)的無(wú)線SoC片上系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，也減小了整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)單元體積，增強(qiáng)了單元的可靠性和實(shí)用性。
無(wú)線監(jiān)測(cè)單元為架空輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)全新的解決方案，隨著智能電網(wǎng)的大力推廣和發(fā)展，將得到更加廣泛的應(yīng)用。另外，本單元的適用性很廣，在無(wú)人值守、沒有市電、短距離長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合尤為適用。
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