摘 要：针对目前电力电缆温度在线监测系统存在的不足，基于M-Bus总线与CAN总线技术，采用TinyARM系列嵌入式工控模块及MSP430F122单片机，设计并实现了一种新型的电力电缆温度在线监测系统。实际运行结果表明，本系统具有布线简单、安装维护方便、智能化程度高等优点，可实现全天候实时监测，可有效预防和杜绝电缆火灾事故的发生。
关键词：DS18B20：M-Bus；ARM7；温度监测；数据采集器
随着工业自动化水平日益提高，电力电缆用量日益增多，电缆火灾事故的发生几率也随之增大。目前常用的电力电缆温度监测方法有感温电缆式测温系统、热敏电阻式测温系统和光纤分布式温度监测系统[1]等三种，但都存在易出现破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全、布线复杂、维护工作量大和设备成本高等不足。针对以上问题，设计实现了一种新型电力电缆温度在线监测系统，能有效监控电力电缆设备工作环境状态，预防和杜绝电缆火灾事故的发生。
1 系统概述
电缆温度在线监测系统由后台监控系统、嵌入式温度采集单元、M-Bus数字温度传感器三部分组成。首先M-Bus数字温度传感器监测出电缆的实际温度值，温度传感器通过欧洲仪表总线M-Bus与数据采集单元连接，数据采集单元将温度数据采集后通过CAN总线上传给后台监测工作站，后台监控系统对采集到的温度数据进行分析、处理，得出温度变化趋势曲线，并根据设定的不同温度告警值进行分级报警。电缆温度在线监测系统设计图如图1所示。
2 电路硬件设计
2.1 温度传感器的硬件设计
温度传感器硬件系统主要由数字温度传感器、主控制器和M-Bus总线接口等3个部分组成。该温度传感器终端采用M-Bus总线，线缆既可完成数据通信功能，又可为温度传感器单元供电，从而使温度传感器单元的硬件设计最大程度简化，提高了系统的可靠性和稳定性。温度传感器单元结构框图如图2所示。
温度传感器主控制器（MSP430F122微处理器）的第7脚外接电阻R6和电容C4，组成系统的上电复位电路，其第5脚、第6脚外接一个4 MHz的晶体振荡器T1、电容C2、C3，组成系统时钟电路；第15脚、16脚连至M-Bus总线接口芯片TSS721的串口上，其中UTXD0作为输出口向TSS721芯片发送数据，URXD0作为输入口接收数据从芯片TSS721发送过来的数据；其25脚接至TSS721的第5脚，组成系统断电保护电路；第23脚TA1作为双向I/O口接至温度传感器DS18B20，负责从温度传感器读取测点温度值；通过第2脚接在TSS721芯片上的第11脚VDD稳压输出端，通过M-Bus总线给微处理器供电。
2.1.2 温度传感器
测温系统选用目前非常成熟的数字传感器芯片DS18B20。DS18B20第1脚、第3脚分别与地线、电源线连接，第2脚外接一个4.7 kΩ上拉电阻后接至主控制器MSP430F122的第23脚TA1。本系统采用电缆直接接触测温的方式，将传感器DS18B20与主控制器及M-Bus芯片组成的传感器系统电路板封装于不锈钢金属套内并灌入导热胶封装，用引线将数据线引出，使得传感器具有防挤压和防水的能力，并能有效屏蔽电缆线路对传感器系统的干扰。
2.1.3 M-Bus接口单元
M-Bus总线是由Paderborn大学的Horst Ziegler与TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出[3]的。TSS721是根据M-Bus通信标准（EN1434-3）生产的M-Bus总线专用的终端收发器集成芯片。M-Bus接口电路图如图4所示。
TSS721的两个引脚BUSL1、BUSL2通过220 ?赘的保护电阻后接至M-Bus总线上，作为TSS721与M-Bus总线间提供数据交换的通道；RX和TX引脚连接到从机处理器MSP430F122的第15、16脚，提供M-Bus集成芯片TSS721与从机微处理间的数据通信；SC为采样电容连接端，保证TSS721在标志状态下，能够获取静态电流；STC为供电电容接入端，保证TSS721在空闲状态下提供附件脉冲电流；VDD为稳压输出端，可提供3.3 V的电压维持从机供电；PF引脚与从机微处理器MSP430F122的第25脚TCK引脚相连，进行掉电检测，掉电时通知微处理器进行数据掉电保存。
2.2 数据采集单元设计
嵌入式M-Bus数据采集单元硬件部分由主控模块、电源、M-Bus收发电路、CAN总线通信电路等组成。在系统初始化完成后，上位机通过CAN总线将每路M-Bus上挂靠的传感器的地址码发给嵌入式M-Bus数据采集单元并储存地址码；采集器主模块读取地址码，通过串口向M-Bus发送采集命令，通过M-Bus接收电路调理之后，传感器将数据发送信号送入主控模块A/D；主控模块通过软件分析得到数据并存储；当接收到上位机要求发送所有挂靠的传感器命令之后，采集器将数据打包上传至上位机。数据采集单元总体设计图如图5所示。
系统采用32 bit ARM芯片LPC2387作为核心主控芯片。TinyARM T2387嵌入式工控模块是将ARM最小系统、以太网控制器、低功耗RTC及海量存储设备高度集成于一块尺寸仅为45 mm×32 mm的PCB板上，结合同样可以定制的底板，灵活地配置I/O和各种通信口。例如模拟量输入/输出、开关量输入/输出，RS-232、RS-485、CAN-Bus和以太网等，都具有很强的网络接入能力，可满足众多数据采集系统、远程监控系统的开发需求。
3 软件设计
3.1 温度传感器的软件设计
数字传感器DS18B20将测点的实时温度值存于其高速缓存器中，测温终端中微处理器MSP430F122周而复始地从数字传感器DS18B20中采集并存储温度信息。
微处理器对DS18B20的每一次访问都以复位信号和ROM功能命令开始，对总线上的DS18B20来说，每一次复位信号意味着一次通信的开始，器件的响应是以拉低总线向主机发出一个存在脉冲来实现的，之后器件准备接收ROM功能命令，然后再完成其他对应操作。
温度传感器单元接收模块初始化后，接收数据的起始位的检测由定时器的捕捉功能自动实现，不需要软件控制，当捕获器检测到起始位以后由接收中断服务子程序进行数据接收。需要发送数据时，调用数据发送子程序完成数据发送。
3.2 采集系统软件设计
本系统核心部分为采集系统，对数据处理的实时性有较高的要求。而μC/OS-Ⅱ是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺型的多任务实时操作系统[4]。在此开发平台上，将数据采集任务分为3个任务，各任务间的关系如图6所示。
（1）Task0主要是进行CAN数据的接收、解包处理。当收到数据时，进行解包识别，根据不同命令发送不同信号量到任务2。
（2）Task1主要负责和上位机的通信，根据Task1的命令信息进行相应处理。当收到发送数据命令时，读取传感器数据，并进行打包处理和发送；当收到存储数据ROM码时，存储至文件系统。
（3）Task2主要负责数据的采集。读取文件系统存储的DS18B20地址码发送至M-Bus上，并通过A/D采集。
温度数据的采集是本系统最基本也是最重要的功能。首先读取文件系统中两路M-Bus的DS18B20地址码，通过UART0和UART3发送至CAN总线上；然后根据每路负载的感温探头数量设置X9015基准电平，以便于接收；最后打开ARM的A/D采样进行采集和分析，得出正确的温度数据。温度数据采集流程如图7所示。
本系统UART0、UART3波特率为2 400 b/s，每一位数据时间为1/2 400 s。为了保证数据分析正确率，对每位进行16次A/D采集；然后根据16个数中高、低电平的个数确定本位为高电平或低电平。A/D采样精度为10 bit，每次进行两路的采集，则A/D时钟设置为：
2 400×16×10×2=768 000 Hz
感温探头回发数据为3 B，前2 B为温度数值，最后一个字节为前2 B的校验和。如果数据不正确，则丢弃。由于每位采集16次，3 B加起始位、停止位，至少应采集（16×30=480个）480个数据。为确保采集到数据，本系统每次采集1 400个数据。
数据分析时，首先计算无信号传输时的总线电压，再将采集的电压值与无信号时的总线电压进行比较，找到起始位；依次对各位进行判断。数据分析流程如图8所示。
4 系统测试与运行
在现场采集中，一般每路M-Bus上挂靠约30个感温探头。为保证留有一定裕量，本系统设计在每路M-Bus上挂靠50个感温探头，两路共挂靠100个感温探头。经过实测，此时每路M-Bus负载电流为0.15 A左右，采集板36 V电源输出总电流为0.41 A。数据采集单元向M-Bus下发信号波形高电平为34.5 V，低电平拉至17 V，峰-峰值为17 V，满足下位机供电要求和M-Bus协议要求。
由图10可见，波形符合计算值，且有了很好的改善，更便于采集和分析。通过测试，数据采集单元能够正常采集温度，达到预期设计目标。
上位机通过收集各个数据采集单元的温度，根据数据采集单元的具体位置，实时模拟显示出各个段的温度数据。其中一组实测电缆温度如图11所示。
通过测试，数据采集单元能够正常与上位机通信，正常采集温度，达到预期设计目标。
从实际应用情况来看，该系统达到了专业化监测系统的水平。系统运行稳定，数据真实可靠；同时具有布线和维护简单、智能化程度高、能全天候实时监控的优点，对同类产品的监控系统设计有较大的参考价值。
参考文献
[1] 刘媛，张勇，雷涛，等．分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J]．山东科学，2008，21（6）．
[2] 赵光兴，张帆．基于MSP430单片机的高压开关柜温度在线检测系统设计[J]．中国仪器仪表，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] 冯泽东，邵贝贝．用协处理器提高μC/OS-Ⅱ的实时性[J]．单片机与嵌入式系统应用，2008（4）：18-21.