基于DSP的聲表面波溫度測量系統(tǒng)的設計

何海國，王佳，金曉芬

（國網(wǎng)浙江長興縣供電公司，浙江長興313100）

經(jīng)驗交流

基于DSP的聲表面波溫度測量系統(tǒng)的設計

何海國，王佳，金曉芬

（國網(wǎng)浙江長興縣供電公司，浙江長興313100）

應用聲表面波傳感器設計了一種基于數(shù)字信號處理器的無線無源溫度測量系統(tǒng)，介紹了聲表面波傳感器測溫原理。整個系統(tǒng)包括信號控制模塊、溫度測量模塊、液晶顯示模塊3個部分。該系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾能力強、可靠性高和可多點探測等優(yōu)點，可應用于高壓開關柜的實時溫度監(jiān)測。

數(shù)字信號處理器；聲表面波；溫度測量；傳感器

電力系統(tǒng)的故障多數(shù)是由設備運行溫度過高導致，所以對設備的溫度進行監(jiān)測是十分有必要的，現(xiàn)在已經(jīng)應用于高壓開關柜測溫的方式且技術(shù)相對成熟的有紅外測溫和光纖測溫。紅外測溫易受環(huán)境因素影響（如空氣中的灰塵），并且當被測物體為光亮或者拋光的金屬表面時，測溫讀數(shù)偏差較大。光纖測溫則因為光纖設備造價高昂、易折斷且布線困難等缺點限制了其廣泛應用。

SAW（聲表面波）測溫是近年來新興的一項測溫技術(shù)，SAW傳感器是一種無線無源的傳感器，與之前的有源無線傳感器相比，沒有復雜的布線，不用頻繁地更換電池，受外界惡劣環(huán)境的影響也更小，具有安裝靈活、成本低、測量穩(wěn)定、可靠性高的特點。

基于DSP（數(shù)字信號處理技術(shù)）的聲表面波溫度測量系統(tǒng)主要應用于高壓開關柜的溫度在線監(jiān)測，可以在現(xiàn)場直接查看開關柜多點的溫度以及溫度變化曲線，同時還可以設置測量周期等參數(shù)而無需回到監(jiān)控室進行操作，方便靈活，大大提高了巡查人員的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設計

測溫系統(tǒng)由型號為TMS320F2812的DSP芯片、TFT（薄膜場效應晶體管）液晶屏、按鍵、SAW溫度傳感器及溫度采集器組成。DSP與溫度采集器通過RS232連接，DSP與PC（個人計算機）機通過RS485連接，溫度采集器與SAW傳感器則通過天線發(fā)射電磁波進行通信。

系統(tǒng)的工作過程為：DSP向溫度采集器發(fā)送測溫指令，溫度采集器通過天線向SAW傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，傳感器接收到電磁波信號后，將信號進行處理，之后再以電磁波的形式發(fā)送回溫度采集器，溫度采集器將攜帶溫度信息的指令傳給DSP，經(jīng)DSP處理后在液晶屏上顯示實時溫度和歷史曲線，通過DSP與PC通信，可以在PC上讀取測量到的溫度信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設計

2.1 溫度采集模塊

SAW溫度傳感器由壓電基片、聲反射柵、叉指換能器和天線組成[1]，其工作原理是利用聲表面波在外界溫度發(fā)生變化時，波速會隨之變化的特點，通過叉指換能器和聲反射柵將波速的變化量轉(zhuǎn)化為諧振頻率的偏移量，根據(jù)頻率的變化計算出被測物體的溫度[2]。如圖2所示，測得頻率與溫度呈線性的關系。

圖2 SAW傳感器頻率溫度曲線

2.2 液晶屏顯示模塊接口設計

系統(tǒng)顯示部分選用的是4.3寸16位并口TFT彩色液晶顯示屏，分辨率為480×272，具有內(nèi)置字庫和觸摸功能。

DSP與液晶屏的接口設計為總線方式，即處理器的8080總線直接與液晶屏接口相連，無需考慮接口時序。使用時將液晶屏的16根數(shù)據(jù)總線與DSP的16根數(shù)據(jù)總線直接相連，液晶屏的數(shù)據(jù)/命令選擇線RS與DSP的地址線A0相連，液晶屏的片選線CE、寫信號線WR和讀信號線RD則分別與DSP存儲空間Zone2的片選線XZCS2、讀信號線XWE和寫信號線XRD相連。為了對液晶屏的字庫芯片進行讀取，液晶屏中與字庫相關的時鐘CLK、輸出DOUT和輸入DIN需要連接SPI模塊中的SPI時鐘SPICLK、SPI主輸入從輸出SOMI和SPI主輸出從輸入SIMO，字庫片選FCS則連接DSP中的GPIOF3，用以在讀取字庫時將字庫片選信號拉低。此外液晶屏的復位RST和觸摸屏片選TCS分別與DSP中的GPIOF6和GPIOF7相連，用來控制液晶屏的復位，并在不需要觸摸屏功能時將觸摸屏片選信號拉高[3]。DSP與液晶屏的接口連接如圖3所示。

圖3 DSP與液晶屏接口連接

2.3 按鍵控制電路設計

系統(tǒng)中除電源開關以外的按鍵均由DSP進行獨立控制，設計中需要使用7個獨立的按鍵，分別是“設置”、“確認”、“返回”以及4個方向鍵上下左右。所有按鍵均采用查詢方式進行判斷，只要DSP檢測到相應的端口為低電平，就判斷有按鍵被按下。按鍵控制電路的硬件設計如圖4所示，由于DSP的GPIO引腳自帶上拉功能，因此無需使用上拉電阻。

圖4 按鍵控制電路

3 軟件設計

3.1 串口通信程序設計

使用TMS320F2812的SCI（串行通信接口）與傳感器進行通信[4]。處理器在通信時會涉及到通信協(xié)議，F(xiàn)2812的SCI模塊采用的是NRZ（不歸零）數(shù)據(jù)編碼格式，帶有格式信息的每一個數(shù)據(jù)字符稱作一幀，每一幀字符包括1個起始位、1～8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1～2個結(jié)束位。除此之外，串行通信還需要對波特率進行設置，當DSP與其他設備之間進行SCI串行通信時，兩者在數(shù)據(jù)格式和波特率上必須做到完全一致，只有這樣通信才能獲得成功。表1、表2為SAW傳感器的報文協(xié)議表。

表1 由16個字節(jié)構(gòu)成的報文協(xié)議指令

表2 M SID的構(gòu)成

系統(tǒng)用到的命令符主要有：2B hex，表示執(zhí)行測溫命令；2C hex，表示執(zhí)行校驗命令；11 hex，表示執(zhí)行儲存命令。

DSP的SCIA通過MAX232芯片轉(zhuǎn)成RS-232接口，完成DSP與溫度采集器的通信。SCIB通過MAX485芯片轉(zhuǎn)成RS-485接口，接口完成DSP與上位機的通信。SCI通信的工作過程如下：首先SCI接收引腳接收到數(shù)據(jù)，并進入SCI接收中斷，之后接收首字符，并判斷該字符是否是正確的起始碼，如果是，則保存之后的有效數(shù)據(jù)并進行分析，準備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)進入SCI發(fā)送中斷，并將數(shù)據(jù)送入發(fā)送引腳。SCI串口通信的子程序流程如圖5所示。

圖5 串口通信子程序流程

3.2 液晶顯示程序

DSP對液晶屏的控制是通過SPI（串行外圍設備接口）來進行的。使用時將SPI的工作模式設置為主機工作模式，單次發(fā)送的字符長度設置為8位，時鐘極性設置為上升沿接收數(shù)據(jù)，下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，由此便可以實現(xiàn)對字庫芯片的讀取。

液晶屏的指令集共有7個指令，分別是設置行地址（0x20）、設置列地址（0x21）和寫入數(shù)據(jù)（0x22），以及字庫一般讀取（0x03）、字庫快速讀?。?x0B）、觸摸屏讀X坐標（0x90）和觸摸屏讀Y坐標（0xD0），所有復雜的寫字和畫圖操作均以這7個指令為基礎得到。當RS為0時表示寫指令，當RS為1時表示寫數(shù)據(jù)。

液晶屏寫指令或數(shù)據(jù)的工作過程如下：程序開始后，首先液晶屏的片選線CE被拉低，并判斷RS的值，如果RS=0，則液晶屏寫指令；如果RS=1，則液晶屏寫數(shù)據(jù)，隨后DSP將要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)線，并將寫信號線WR拉低后再拉高，以寫入相應的指令或數(shù)據(jù)，最后液晶屏的片選線CE被拉高。液晶屏寫子程序的流程如圖6所示。

圖6 液晶屏寫子程序流程

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗中把測量天線置于高壓開關柜外1.5 m處，把6個傳感器探頭固定在開關柜內(nèi)待測點處，設置測量周期位1 min，最高報警溫度為85℃，最大溫度變化為10℃。還需設置校驗溫度，用于排除環(huán)境溫度對測量值的影響[5]。測量的具體結(jié)果如表3所示。

經(jīng)過試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行良好，溫度測量誤差范圍控制在±1℃內(nèi)，對于高壓開關柜內(nèi)的溫度檢測，可以滿足其精度要求。圖7為測量時系統(tǒng)的顯示界面。

表3 SAW傳感器實測值與標準值對照表

圖7 系統(tǒng)實測界面

5 結(jié)語

對新興的聲表面波測溫技術(shù)進行了介紹與分析，并使用DSP芯片F(xiàn)2812作為控制模塊，TFT液晶屏為顯示模塊，控制聲表面波傳感器完成校驗、測溫、存儲、數(shù)據(jù)顯示等一系列工作，實現(xiàn)了對監(jiān)測點溫度的實時監(jiān)測與溫度值的存儲、溫度閥值設置與報警、監(jiān)測點溫度實時顯示及與上位機的通信功能。

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、測量精度高、無線無源，抗干擾能力強，能解決高壓開關柜的實時溫度監(jiān)測問題。

[1]李平，文玉梅，王軍峰，等.聲表面波諧振器的時域響應特性研究[J].壓電與聲光，2003，25（2）∶87-90.

[2]胡蘭芳.聲表面波器件頻率溫度特性研究[J].四川師范大學學報（自然科學版），2001，24（4）∶363-366.

[3]石建國，鄧春健.二級驅(qū)動的串行TFT-LCD顯示終端設計[J].液晶與顯示，2011，26（1）∶73-77.

[4]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

（本文編輯：陸瑩）（本文編輯：楊勇）

Design of SAW Temperature M easurement System Based on DSP

HE Haiguo，WANG Jia，JIN Xiaofen
（State Grid Zhejiang Changxing Power Supply Company，Changxing Zhejiang 313100，China）

SAW（surface acoustic wave）temperature sensor is used to design a wireless passive temperature measurement system based on DSP（digital signal process）.The paper introduces temperature measurement principle of SAW sensor.The system comprises three parts∶signal controllingmodule，temperaturemeasurementmodule and LCD displaymodule.The system，with itsmultiple advantages such as low power consumption，excellent anti-interference ability，high reliability and multi-pointmeasurement，can be applied to realtime temperaturemeasurement of high-voltage switch cabinet.

DSP；SAW；temperaturemeasurement；sensor

TK311

B

1007-1881（2016）01-0066-04

2015-09-25

何海國（1978），男，助理工程師，技師，主要從事變電檢修工作。