開(kāi)關(guān)柜非接觸測(cè)溫系統(tǒng)的研制

張顯才，張 豐，陳 果

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

0 引 言

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迎來(lái)了近40載的高速增長(zhǎng)時(shí)期，一躍成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體和亞洲第一大經(jīng)濟(jì)體。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)牽引著電力系統(tǒng)的發(fā)展與變革，電力系統(tǒng)的發(fā)展為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了必要的保證和支撐。當(dāng)前，電力系統(tǒng)正朝著高電壓、大電流和大容量的方向發(fā)展，同時(shí)供電的安全性和可靠性也備受關(guān)注[1-2]。在供電系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)柜是不可或缺的重要組成部分，其運(yùn)行的可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能。由于開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期處于在線狀態(tài)，可能存在過(guò)負(fù)荷、相間短路、開(kāi)關(guān)柜母線接頭處氧化、松動(dòng)等問(wèn)題，極易導(dǎo)致母線發(fā)熱和過(guò)熱，這些問(wèn)題如果不能及時(shí)得到監(jiān)控和處理，將會(huì)引發(fā)供電故障甚至引起火災(zāi)[3]。

目前，對(duì)于母線溫度的檢測(cè)方法有以下幾種：

（1）光纖光柵測(cè)溫法[4]。光纖光柵體積小，重量輕，對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)有較強(qiáng)的抑制作用。但開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空間狹小，布線彎折多，影響測(cè)量精度。

（2）色片法[5]。色片傳感器材料本身顏色隨著周邊環(huán)境溫度的變化而變化。但這種方法只能通過(guò)人工巡檢的方式觀察色片顏色，粗略判斷溫度高低，既無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

（3）接觸式測(cè)量法[6]。將溫度傳感器直接貼于開(kāi)關(guān)柜母線上，利用控制器直接讀取傳感器測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)溫度的精確測(cè)量。但開(kāi)關(guān)柜母線處于高壓狀態(tài)，與表貼的傳感器間極易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。同時(shí)開(kāi)光柜內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)也會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量精度。

（4）非接觸式測(cè)量法[7]。該方法主要利用紅外輻射的原理。任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向四周輻射能量，通過(guò)測(cè)量輻射紅外能量，經(jīng)換算得到被測(cè)對(duì)象的溫度。該方法對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)的抑制作用，測(cè)量精度高，安裝受開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)限制小，安裝方便。因此，研究非接觸式紅外測(cè)溫系統(tǒng)非常有意義。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

紅外輻射的頻譜介于可見(jiàn)光和無(wú)線電波之間，其波長(zhǎng)為0.7～1 000 μm，可以免于強(qiáng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)環(huán)境的干擾。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的總輻射度與其溫度的4次方成正比，通過(guò)測(cè)量總輻射度換算得到被測(cè)物體的溫度[8]。

該無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由紅外溫度傳感器MLX90614、激光二極管、i.MX6ULL處理器、LCD顯示器、NB-IoT模塊、RS 485電路以及直流電源模塊構(gòu)成。1個(gè)紅外溫度傳感器和1個(gè)激光二極管構(gòu)成一個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)共包含6個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，分別測(cè)量開(kāi)關(guān)柜內(nèi)A、B、C相母線上、下電纜接頭處的溫度。激光二極管具有測(cè)量輔助定位的作用。采用AM2322溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的濕度。測(cè)量的溫、濕度在本地端LCD顯示器上進(jìn)行直觀顯示，便于巡檢人員定期進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，測(cè)量結(jié)果也可以通過(guò)RS 485總線和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和故障預(yù)警。

2 紅外溫度傳感器

2.1 MLX90614性能介紹

MLX90614是Melexis公司出品的數(shù)字式紅外溫度傳感器，可以同時(shí)完成環(huán)境溫度和物體溫度的測(cè)量。內(nèi)部集成低噪音放大器、熱電堆傳感器，17位ADC、DSP單元、32個(gè)1位的E2PROM和32個(gè)17位RAM。物體輻射紅外能量，通過(guò)熱電堆變成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后在DSP內(nèi)進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正和補(bǔ)償。在-40～125 ℃的環(huán)境溫度和-70～380 ℃的物體溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量誤差≤0.5 ℃，并將測(cè)量結(jié)果存放在內(nèi)部RAM中。內(nèi)部E2PROM主要存放MLX90614的ID號(hào)、配置和校準(zhǔn)參數(shù)[9]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 MLX90614型號(hào)選擇

MLX90614溫度傳感器根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了不同的工作電壓，以及不同的熱電堆傳感器數(shù)量和不同視場(chǎng)（FOV）的多種類型傳感器。

《20 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定，10 kV配電柜最小安全電氣凈距不小于125 mm；20 kV配電柜最小間距不小于180 mm。因此，在20 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，傳感器與母線的間距需大于180 mm[10]。

在母線銅排寬度位8 cm，傳感器與母線間距為180 mm的情況下，應(yīng)選用的視場(chǎng)FOV小于arctan（40/180）=13°。同時(shí)，由于主機(jī)外部接口大多為L(zhǎng)VTTL電平標(biāo)準(zhǔn)，為直接與主機(jī)接口相連，需選用+3 V供電型號(hào)。

此外，由于紅外溫度傳感器通過(guò)獲取視場(chǎng)內(nèi)紅外輻射的平均能量得到平均溫度，在滿足配電柜最小安全凈距的條件下，傳感器的視場(chǎng)越小，測(cè)量的準(zhǔn)確度越高。因此，實(shí)際選用的傳感器型號(hào)為MLX90614ESF-DCI。該傳感器為+3 V供電的醫(yī)用級(jí)傳感器，F(xiàn)OV僅為3°，采用內(nèi)部梯度溫度補(bǔ)償算法，溫度測(cè)量誤差≤0.1 ℃。此傳感器可以完全滿足測(cè)量精度和安裝距離的要求。

2.3 MLX90614通信協(xié)議

MLX90614與i.MX6ULL間采用SMBus總線通信。SMBus總線只允許有一個(gè)主設(shè)備，但可以有多個(gè)從設(shè)備。i.MX6ULL作為SMBus總線上的主設(shè)備，完成對(duì)MLX90614從設(shè)備的初始化以及測(cè)量結(jié)果的讀取。SMBus協(xié)議如圖2所示。SMBus總線在通信協(xié)議上兼容I2C總線，包含SDA和SCL線。SCL同步SDA是雙向數(shù)據(jù)線，在SCL時(shí)鐘線的有效邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信時(shí)首先由主設(shè)備發(fā)送1位起始位，然后發(fā)送從設(shè)備地址和讀寫標(biāo)志位。當(dāng)SMBus總線上只有1個(gè)MLX90614時(shí)，其從設(shè)備地址固定為00H，當(dāng)總線上存在多個(gè)MLX90614時(shí)，每個(gè)器件的地址由其內(nèi)部ROM中的數(shù)值決定。從設(shè)備接收到有效的地址后，會(huì)返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，主、從設(shè)備每完整接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后即會(huì)進(jìn)行應(yīng)答，所有數(shù)據(jù)傳輸完成后會(huì)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)通信過(guò)程的正確性，最后發(fā)送停止位，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 MLX90614 SMBus協(xié)議

3 MLX90614的Linux驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用i.MX6ULL處理器作為主控CPU。它是NXP公司聚焦于多媒體領(lǐng)域的一款高性能、高集成度和高性價(jià)比的處理器。采用Coretx-A7內(nèi)核，主頻高達(dá)792 MHz。片內(nèi)外設(shè)豐富，包含1路LCD接口，2路CAN接口，2路以太網(wǎng)接口，2路USB OTG接口，8路串口，4路I2C接口和4路SPI接口等。內(nèi)部集成了電源管理單元，降低了外部電源系統(tǒng)的復(fù)雜性以及對(duì)上電順序的要求。

3.1 設(shè)備樹(shù)的修改

設(shè)備樹(shù)（Device Tree）是Linux3.x以后版本所引入的一種描述硬件資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括CPU的數(shù)量和類別、內(nèi)存基地址和大小、中斷控制器、總線和橋、外設(shè)、時(shí)鐘和GPIO控制器等[11]。它通過(guò)BootLoader將硬件資源傳給內(nèi)核，使得內(nèi)核和硬件資源描述相對(duì)獨(dú)立，對(duì)硬件平臺(tái)的所有資源進(jìn)行描述。

在本設(shè)計(jì)中，將MLX90614傳感器連接至i.MX6ULL處理器的I2C1接口。I2C1接口與芯片引腳的復(fù)用關(guān)系和工作模式見(jiàn)表1所列。在此系統(tǒng)中，將UART4引腳復(fù)用為I2C1功能。

在NXP官方提供的imx6ull-14x14-evk.dtb設(shè)備樹(shù)文件的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1所列的I2C1接口的引腳映射，進(jìn)行2方面的修改：

表1 I2C1接口的引腳映射

（1）設(shè)置GPIO口的復(fù)用功能和電氣屬性；

（2）增加MLX90614設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

設(shè)置引腳復(fù)用和電氣屬性的代碼如下：

增加MLX90614設(shè)備節(jié)點(diǎn)的代碼如下：

3.2 Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

I2C驅(qū)動(dòng)包括I2C適配器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)[12]。I2C控制器驅(qū)動(dòng)主要是初始化i2c_adapter和i2c_algorithm兩個(gè)結(jié)構(gòu)體。I2C控制器驅(qū)動(dòng)通常由SOC廠家完成，用戶只需要完成I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要初始化i2c_driver結(jié)構(gòu)體，并向Linux內(nèi)核注冊(cè)[13-15]。i2c_driver結(jié)構(gòu)體定義為：

該結(jié)構(gòu)體中，struct device_driver成員用于與設(shè)備樹(shù)中的Compatible屬性進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配成功后，probe函數(shù)執(zhí)行。

Linux系統(tǒng)提供的SMBus總線常用的API函數(shù)有：

以上函數(shù)中，第一個(gè)參數(shù)均為指向i2c_client的結(jié)構(gòu)體指針。i2c_client結(jié)構(gòu)體代表一個(gè)掛載到i2c總線上的i2c從設(shè)備，包含該設(shè)備所需要的地址、名字、中斷等全部信息。其結(jié)構(gòu)體定義為：

該結(jié)構(gòu)體在驅(qū)動(dòng)與設(shè)備樹(shù)匹配后，由I2C主機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)完成其初始化，用戶在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)無(wú)需手動(dòng)初始化。

3.2.1 向MLX90614寫入數(shù)據(jù)

主機(jī)向MLX90614寫入數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3所示。主機(jī)首先發(fā)送MLX90614的設(shè)備地址和操作指令，然后寫入2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)及PEC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成一次寫操作。

圖3 主機(jī)寫入數(shù)據(jù)時(shí)序

3.2.2 從MLX90614讀出輸出

主機(jī)從MLX90614讀出數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖4所示。主機(jī)首先發(fā)送MLX90614的設(shè)備地址和操作指令。然后再次發(fā)送MLX90614的設(shè)備地址，隨后MLX90614輸出所讀取的數(shù)據(jù)及PEC校驗(yàn)值。

圖4 主機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)序

4 系統(tǒng)測(cè)試

將此系統(tǒng)安裝于KYN28開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，分別用于測(cè)量母線上下接頭處的溫度，并與福祿克F59E手持式溫度測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 MLX90614測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了基于Linux系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的硬件組成和工作原理，以及MLX90614在Linux系統(tǒng)中設(shè)備樹(shù)的描述方法及驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于KYN28高壓開(kāi)關(guān)柜中。實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)安裝方便，測(cè)量精度高，對(duì)于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度異常等潛在風(fēng)險(xiǎn)具有很好的預(yù)警作用。