摘 要： 針對目前電力電纜溫度在線監測系統存在的不足，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，設計并實現了一種新型的電力電纜溫度在線監測系統。實際運行結果表明，本系統具有布線簡單、安裝維護方便、智能化程度高等優點，可實現全天候實時監測，可有效預防和杜絕電纜火災事故的發生。
關鍵詞： DS18B20：M-Bus；ARM7；溫度監測；數據采集器
隨著工業自動化水平日益提高，電力電纜用量日益增多，電纜火災事故的發生幾率也隨之增大。目前常用的電力電纜溫度監測方法有感溫電纜式測溫系統、熱敏電阻式測溫系統和光纖分布式溫度監測系統[1]等三種，但都存在易出現破壞性報警、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，設計實現了一種新型電力電纜溫度在線監測系統，能有效監控電力電纜設備工作環境狀態，預防和杜絕電纜火災事故的發生。
1 系統概述
電纜溫度在線監測系統由后臺監控系統、嵌入式溫度采集單元、M-Bus數字溫度傳感器三部分組成。首先M-Bus數字溫度傳感器監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與數據采集單元連接，數據采集單元將溫度數據采集后通過CAN總線上傳給后臺監測工作站，后臺監控系統對采集到的溫度數據進行分析、處理，得出溫度變化趨勢曲線，并根據設定的不同溫度告警值進行分級報警。電纜溫度在線監測系統設計圖如圖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主要由數字溫度傳感器、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，線纜既可完成數據通信功能，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，提高了系統的可靠性和穩定性。溫度傳感器單元結構框圖如圖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芯片發送數據，URXD0作為輸入口接收數據從芯片TSS721發送過來的數據；其25腳接至TSS721的第5腳，組成系統斷電保護電路；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
測溫系統選用目前非常成熟的數字傳感器芯片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電路板封裝于不銹鋼金屬套內并灌入導熱膠封裝，用引線將數據線引出，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M-Bus通信標準（EN1434-3）生產的M-Bus總線專用的終端收發器集成芯片。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總線間提供數據交換的通道；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據通信；SC為采樣電容連接端，保證TSS721在標志狀態下，能夠獲取靜態電流；STC為供電電容接入端，保證TSS721在空閑狀態下提供附件脈沖電流；VDD為穩壓輸出端，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據掉電保存。
2.2 數據采集單元設計
嵌入式M-Bus數據采集單元硬件部分由主控模塊、電源、M-Bus收發電路、CAN總線通信電路等組成。在系統初始化完成后，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給嵌入式M-Bus數據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發送采集命令，通過M-Bus接收電路調理之后，傳感器將數據發送信號送入主控模塊A/D；主控模塊通過軟件分析得到數據并存儲；當接收到上位機要求發送所有掛靠的傳感器命令之后，采集器將數據打包上傳至上位機。數據采集單元總體設計圖如圖5所示。
系統采用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、以太網控制器、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和以太網等，都具有很強的網絡接入能力，可滿足眾多數據采集系統、遠程監控系統的開發需求。
3 軟件設計
3.1 溫度傳感器的軟件設計
數字傳感器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出一個存在脈沖來實現的，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，接收數據的起始位的檢測由定時器的捕捉功能自動實現，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據接收。需要發送數據時，調用數據發送子程序完成數據發送。
3.2 采集系統軟件設計
本系統核心部分為采集系統，對數據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[4]。在此開發平臺上，將數據采集任務分為3個任務，各任務間的關系如圖6所示。
（1）Task0主要是進行CAN數據的接收、解包處理。當收到數據時，進行解包識別，根據不同命令發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Task1的命令信息進行相應處理。當收到發送數據命令時，讀取傳感器數據，并進行打包處理和發送；當收到存儲數據ROM碼時，存儲至文件系統。
（3）Task2主要負責數據的采集。讀取文件系統存儲的DS18B20地址碼發送至M-Bus上，并通過A/D采集。
溫度數據的采集是本系統最基本也是最重要的功能。首先讀取文件系統中兩路M-Bus的DS18B20地址碼，通過UART0和UART3發送至CAN總線上；然后根據每路負載的感溫探頭數量設置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，得出正確的溫度數據。溫度數據采集流程如圖7所示。
本系統UART0、UART3波特率為2 400 b/s，每一位數據時間為1/2 400 s。為了保證數據分析正確率，對每位進行16次A/D采集；然后根據16個數中高、低電平的個數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
感溫探頭回發數據為3 B，前2 B為溫度數值，最后一個字節為前2 B的校驗和。如果數據不正確，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個數據。為確保采集到數據，本系統每次采集1 400個數據。
數據分析時，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。數據分析流程如圖8所示。
4 系統測試與運行
在現場采集中，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。數據采集單元向M-Bus下發信號波形高電平為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，數據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據采集單元的溫度，根據數據采集單元的具體位置，實時模擬顯示出各個段的溫度數據。其中一組實測電纜溫度如圖11所示。
通過測試，數據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，該系統達到了專業化監測系統的水平。系統運行穩定，數據真實可靠；同時具有布線和維護簡單、智能化程度高、能全天候實時監控的優點，對同類產品的監控系統設計有較大的參考價值。
參考文獻
[1] 劉媛，張勇，雷濤，等．分布式光纖測溫技術在電纜溫度監測中的應用[J]．山東科學，2008，21（6）．
[2] 趙光興，張帆．基于MSP430單片機的高壓開關柜溫度在線檢測系統設計[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．用協處理器提高μC/OS-Ⅱ的實時性[J]．單片機與嵌入式系統應用，2008（4）：18-21.