基于MSP430单片机的无线测温装置设计与实现

葛士斌，张志博，郑恩明，孙长瑜，余华兵

(1．中国科学院声学研究所，北京　100190；2．中国科学院大学，北京　100190)

0　引言

当环境温度过高时，电力设备热量不能及时散开，容易造成设备热跳闸；当导体材料温度过高时，会造成材料软化、机械性能下降；当有机绝缘材料温度过高时，会造成绝缘性能下降。总之，温度是影响电力设备工作性能的重要因素[1-2]。

目前针对电力设备温度测控已有许多设备问世。从监测手段来看，有基于无线技术的温度测控装置[3-4]，有利用光纤技术的温度测控装置[2，5-6]；从实现手段上看，有利用单片机实现的测控装置[7]，也有利用ARM实现的测控装置[8]。但是目前的温度测控装置往往存在布线复杂、自动化程度低等问题。

基于MSP430单片机的无线测温装置(Temperature measurement system with wireless communication，TMSWC)用于测量电力设备的工作温度和环境温度。该装置可实时检测电力设备的温度状况，并根据检测状况及时将意外情况传至上位机，具有高度自动化特点；该装置的温度测量模块通过无线协议将数据传至温度收集单元，无需布线，简化了整个无线测温装置的布线工作；无线测温装置的温度收集单元通过MODBUS协议与上位机进行通信，可靠性强。

1　系统整体组成

整个无线测温装置由温度测量模块、温度收集单元、上位机软件三部分构成。整个系统组成示意图如图1所示。

图1　无线测温装置系统组成图

上位机主要是无线测温装置上位机软件。上位机主要完成温度数据接收、显示、存储、分析以及温度收集单元控制参数更改、下发工作，其中温度数据的上传和控制参数的下发均通过MODBUS协议完成。

温度收集单元(Temperature collection unit，TCU)，是整个无线测温系统的核心装置，后续章节中分析的硬件设计、软件设计均是针对该部分进行的。温度收集单元首次开机界面如图2所示。温度收集单元主要有液晶显示功能、按键操作功能、存储功能。液晶显示功能包括显示温度测量模块采集的温度数据、系统参数、环境温湿度等，且该功能支持多级菜单；按键操作功能主要完成参数调整、菜单选择等；存储功能完成温度测量模块采集数据的本地存储。

图2　温度收集单元开机界面

温度测量模块主要完成温度的采集、模数转换及采集数据传输。

2　温度收集单元的硬件设计

2．1温度收集单元的硬件结构

从硬件角度来看，无线测温系统的温度收集单元主要有MSP430单片机、无线网关、Flash存储芯片、LCD液晶屏、电源模块、串口通信模块、时钟芯片。温度收集单元的硬件组成如图3所示。

图3　温度收集单元硬件结构

2．2主控模块

温度收集单元的主控模块是16位的MSP430F149单片机。该款单片机采用精简指令集，且具有多种的寻址方式；在运算速度方面，它可以在8MHz晶体驱动下实现高达125ns的指令周期。另外，MSP430单片机还具有低功耗、工作稳定、片上外围设备丰富等特点[9]。

在温度收集单元中，MSP430单片机的主要工作有：通过中断控制方式(UART串口中断)被动接收来自无线网关的温度数据；遵循MODBUS协议通过UART串口中断被动接收来自上位机的命令；主动读取来自时钟芯片的时间数据；通过LCD驱动将温度数据和时间数据送至LCD液晶屏显示；经过SPI将温度数据送至Flash芯片存储；遵循MODBUS协议，通过RS-485将温度数据传至上位机。

2．3数据显示部分

温度收集单元数据显示部分采用的是SMG12864ZK液晶显示屏。该屏幕是单色屏，分辨率为128×64，显示尺寸为66.5 mm×33.22 mm，接口方式为8为并口。数据显示电路图如图4所示。

图4　温度收集单元数据显示电路

MSP430单片机采集到温度数据后送到该液晶屏实时显示。另外用户还可以通过屏幕查询包括系统时间、报警温度等在内的系统参数，以及存储在Flash内的温度历史数据。

2．4温度存储部分

温度收集单元温度数据存储部分采用的是2片AT45DB642芯片。AT45DB642是串行接口的Flash芯片，工作电压为2.5～2.7 V，支持SPI串行接口。其64Megabit的存储空间分为主存储空间和数据缓冲区。温度收集单元数据存储电路如图5所示。

图5　温度收集单元温度存储电路

MSP430单片机采集到温度数据后送到该液晶屏实时显示的同时，会将数据送至Flash芯片进行存储。用户可以通过温度收集单元和上位机查询、删除存储数据，还可以通过上位机对存储数据进行复制和剪切。

3　温度收集单元的软件设计

3．1软件系统

温度收集单元的软件系统包括程序初始化，实时显示各温度测量模块测量的温度值，包括系统时间、曲线参数在内的系统参数以及报警温度的设置，存储温度数据的删除，存储温度数据的查询等功能。

上述各功能通过多级菜单实现[10-11]，温度测量模块采集温度实时显示作为主菜单，系统参数设置、存储删除、数据查询作为主菜单的二级菜单，各个二级菜单根据各自需求下设三级、四级菜单。温度收集单元各级菜单关系图如图6所示。

温度收集单元中的多级菜单通过函数调用实现。利用函数调用实现多级菜单具有编程架构简单、各菜单间耦合程度低的特点。

通过图6可以看出软件设计工作主要针对温度数据的显示、存储、查询等和参数的设置进行的。下面两小节主要介绍温度数据和参数设置的软件设计工作。

图6　温度收集单元各级菜单关系图

3．2温度数据有关操作软件设计

温度收集单元软件设计中与温度数据有关的操作有温度数据实时显示、温度数据存储、查询、删除。其中主要工作有中断处理(定时器中断、UART串口中断)、按键操作、Flash芯片读写、液晶屏显示。而历史温度数据显示涉及按键操作、读Flash芯片、液晶屏显示等温度数据操作中的大部分工作，是温度数据有关操作软件设计的重点，其逻辑流程图如图7所示。

图7　历史温度数据显示逻辑流程图

3．3参数设置软件设计

系统参数设置是温度收集单元软件设计工作的另一项重要工作。该部分的主要工作有按键操作和液晶显示。报警温度设置与系统参数设置类似，这里介绍系统参数的设置，其逻辑流程图如图8所示。

图8　系统参数逻辑流程图

4　无线测温装置通信协议

无线测温装置中的通信协议主要包括温度测量模块与温度收集单元间的无线传输协议、温度收集单元与上位机之间的MODBUS协议[12-13]。无线传输协议功能相对简单，仅实现温度测量模块向温度收集单元传递温度数据这一单向、单功能通信。而MODBUS协议相对复杂，要实现温度收集单元与上位机间的双向、多功能通信。在此重点介绍MODBUS通信协议。

MODBUS协议是世界上第一个真正实际用于工业现场的总线协议，是由MODICON在1979年发明的。MODBUS协议定义了1个与基础通信层无关的简单协议数据单元，1个通用MOSBUS帧由地址域、功能码、数据、差错校验4部分构成。通过MODBUS协议控制器相互之间、控制器经由通信网络和其他通信设备间可以相互通信。

无线测温装置采用MODBUS的RTU传输模式，该模式下数据单元的地址域占1个字节，因此MODBUS寻址有256个不同地址，其中地址0为广播地址，所以1个系统中最多支持255个温度采集模块。

MODBUS协议有3类功能码，分别是公共用户功能码、用户自定义功能码、保留功能码。无线测温装置中使用的功能码均是用户自定义功能码，各功能码定义如表1所示(表中功能码用十进制表示)。

表1　无线测温装置MODBUS协议功能码定义表

表1中所列的7个功能就是MODBUS协议在无线测温装置中完成的功能。上位机和温度收集单元作为通信双方，其中上位机为主机，向温度收集单元发送请求数据单元，温度收集单元作为从机根据请求数据单元生成响应数据单元返回给上位机。请求数据单元和响应数据单元的生成和发送都是在MODBUS协议规则下进行的。下面以读系统参数为例说明请求数据单元和响应数据单元的格式。读取参数请求数据单元格式表2所示。

表2　读取参数请求数据单元

表2以读取系统参数为例给出了请求数据单元的格式。其中“功能码”表示该次操作的目的；“读取参数数目”表示该次请求要求返回的系统参数的个数；“参数1起始地址”表示要求返回的第1个参数在温度收集单元内的存储地址；“参数1字节数”表示参数1的大小(用字节表示)。与表2对应的读取参数的响应数据单元如表3所示。

表3　读取系统参数响应数据单元

表3以读取系统参数为例给出了响应数据单元的格式。其中“功能码”表示该次操作的目的；“返回参数数目”表示温度收集单元本次返回给上位机的参数数目；“参数1字节数”表示参数1的大小(用字节表示)；“参数1的值”表示系统参数1的当前取值。其余6项功能的请求数据单元与响应数据单元的格式与“读取系统参数”类似。

通信协议是无线测温装置的核心部分，无线通信协议免除了温度测量模块与温度收集单元间的连线，是整个系统布线简单；MODBUS协议将上位机和温度收集模块紧密联系起来，实现设备的异地操作。

5　系统功能实现及测试

基于MSP430的无线测温系统目前已实现且通过实验室测试。无线测温装置实物图如图9所示。图中从左到右依次为温度测量模块、温度收集单元、上位机软件。

图9　无线测温装置系统实物图

无线测温装置的核心温度收集单元实物，如图10所示。图10是温度收集单元的正面图，从该图中可以清晰的看到各温度节点的温度、当前时间等要素。

图10　温度收及单元实物图

通过对整个无线测温装置的硬件和软件的实验室检测和调试，该系统可以实现：

(1)温度的测量及模数转换；

(2)温度值经无线通信有测量模块传至收集单元；

(3)温度在温度收集单元实现实时显示、本地存储、报警处理；

(4)温度收集单元支持系统参数修改(包括报警阈值、系统时间等)；

(5)上位机遵循MODBUS协议通过RS-485获取温度收集单元的温度值、修改温度收集单元的系统参数。

6　结论

以MSP430单片机为核心设计的无线测温装置分为温度测量模块、温度收集单元、上位机软件3部分。该装置集温度采集，温度本地显示、存储，温度远距离传输，温度异地显示、存储等功能于一体，具有配线简单、自动化程度高、稳定可靠等特点。基于无线测温装置已在实验室完成测试，上述各项功能均能正常实现。

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