電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)低功耗無線節(jié)點模塊設(shè)計

摘要：提出了一種用于電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點模塊設(shè)計方案，利用LPC1114的省電耗模式配合Si4432集成芯片實現(xiàn)無線收發(fā)模塊的低功耗。另外，針對模塊硬件實現(xiàn)RF前端高頻電路設(shè)計和前期仿真做出詳細說明，模塊的RF性能指標(biāo)分別做了測試，分析了本模塊的耗能數(shù)據(jù)，可以滿足大部分的低功耗、低速率、高靈敏度的實時無線數(shù)據(jù)傳輸需求，本模塊已經(jīng)可靠、穩(wěn)定地應(yīng)用于系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：低功耗；Cortex-M0內(nèi)核；無線收發(fā)模塊；Si4432；電機溫度監(jiān)測

    電機在長期高速運轉(zhuǎn)的情況下會產(chǎn)生大量熱量，引起主要部件的溫度升高，出現(xiàn)電機燒毀現(xiàn)象，像動車組列車牽引電機，可能會帶來嚴(yán)重的安全隱患，由于大部分電機的特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的紅外軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，無法檢測到電機的溫度。實時測量電機的溫度，防止電機過熱產(chǎn)生故障是設(shè)計系統(tǒng)的目標(biāo)。本文提出的溫度檢測系統(tǒng)利用內(nèi)嵌Cortex-M0內(nèi)核的低成本、低功耗MCU把溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)通過高集成度、低功耗的射頻芯片發(fā)送到監(jiān)控中心實現(xiàn)。

1 模塊結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計方案
1．1 無線模塊方案
    本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集，選用DS18B20芯片；微控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能，選用NXP提供的內(nèi)嵌Cortex-M0核的LPC1114；無線傳輸單元負責(zé)低功耗短距離節(jié)點間通信，選用Silicon Labs提供的Si4432芯片；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化。
    本節(jié)點模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 模塊硬件實現(xiàn)
    其中溫度傳感器通過一線數(shù)據(jù)接口把檢測到的溫度數(shù)據(jù)通過MCU的GPIO口傳送過去，MCU通過增強型SPI接口對Si4432進行內(nèi)部寄存器讀寫，可以靈活配置各項參數(shù)。另外通過四線SPI接口，即MOSI，MISO，SCLK和nSEL。其中MOSI用于從LPC1114到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到LPC1114的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效，具體的硬件電路設(shè)計參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，可以使Si4432達到較好的通信效果，通過ADS對RF前端的LP filter電路進行仿真，其S參數(shù)仿真如圖2所示，可以看出在其240～960 MHz通頻段內(nèi)，具有很小的回波損耗。

    溫度傳感器電路通過DQ數(shù)據(jù)線直連到LPC1114的GPIO端口，實現(xiàn)溫度采集數(shù)據(jù)傳輸。LPC1114通過JTAG接口或者ISP模式與PC通信，可以實現(xiàn)模塊程序在線調(diào)試，相關(guān)電路設(shè)計參考LPC1114的核心板的電路，需要注意JTAG接口中上拉電阻的設(shè)置。本方案中利用3V16AH的電池提供電源，在電路設(shè)計中用2．2μF，100 nF，100 pF，10 pF不同值電容實現(xiàn)電源濾波電路，同時通過choke電感為Si4432發(fā)射功率放大器提供直流偏置電壓。

2 PCB設(shè)計注意事項
    在這種數(shù)／?；旌想娐分校琍CB的設(shè)計優(yōu)劣將直接影響到模塊整體性能，以下對本方案中的PCB設(shè)計關(guān)鍵問題做出簡要說明：
    (1)設(shè)計中的數(shù)字和模擬電源要通過扼流圈電感進行隔離，防止數(shù)字高頻電源對模擬信號產(chǎn)生干擾，電源接入端要加去耦電容，且盡量靠近Si4432芯片。濾波電容也應(yīng)該盡量靠近相應(yīng)引腳，這樣可以得到更好的濾波性能；
    (2)為了消除走線間的感性效應(yīng)，應(yīng)在PCB上空余的地方盡量多布置一些過孔。為了達到較好的射頻通信效果，應(yīng)對整個PCB都覆地銅。提供了一個較好的RF地之后，TX／RX區(qū)域的對地敷銅區(qū)有助于減少甚至避免輻射干擾；
    (3)RF前端電路盡量使用0402封裝電感、電容，可以減少電磁干擾效應(yīng)，射頻電感放置方向相互垂直以減小耦合，RF高頻部分需要50 Ω傳輸線作為連線。
    模塊PCB布局布線效果如圖3所示。

3 模塊軟件設(shè)計
3．1 軟件流程
    本模塊的軟件系統(tǒng)大體上可以分為以下部分：初始化部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收部分，在系統(tǒng)軟件設(shè)計上仍然堅持模塊化分層設(shè)計，初始化模塊包括LPC1114的初始化，SPI的初始化，以及Si4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置，相關(guān)寄存器配置可以從Silicon Labs提供的Excel計算器中得到，以上各模塊軟件設(shè)計流程參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊，可以大大縮短研發(fā)周期。Si4432與MCU數(shù)據(jù)通信相關(guān)接口功能實現(xiàn)程序如下：

    另外為了充分發(fā)揮本方案的低功耗優(yōu)勢，在系統(tǒng)軟件中添加了電源管理部分，其功能就是實時檢測系統(tǒng)的供電情況，若檢測到系統(tǒng)掉電，即向中心發(fā)送掉電信息，同時向節(jié)點發(fā)休眠命令，進入休眠模式的設(shè)備節(jié)點，每半個小時喚醒一次，查詢中心是否已經(jīng)上電工作，如果中心已經(jīng)上電工作，節(jié)點進入工作狀態(tài)，若未檢測到中心工作，節(jié)點繼續(xù)休眠。主要包括掉電過程和上電過程兩部分，具體實現(xiàn)流程分別如圖4，圖5所示。

3．2 模塊系統(tǒng)軟件調(diào)試
    本設(shè)計方案采用NXP免費提供的LPCXpresso類eclipse編程環(huán)境，利用NXP提供的Cortex—M0內(nèi)核中SPI和GPIO控制相關(guān)驅(qū)動程序，實現(xiàn)SPI和GPIO分別與Si4432和DSl8820的數(shù)據(jù)傳輸，PC利用LPC—Link仿真器和Cortex-Debug接口，對LPC1114實現(xiàn)ISP調(diào)試模式，大大提高了開發(fā)效率。

4 模塊指標(biāo)測試與耗能分析
    本模塊方案已經(jīng)應(yīng)用于貨車軸溫測量系統(tǒng)中，達到了本方案的設(shè)計要求。通過頻譜儀對模塊的射頻指標(biāo)做了測試，圖6為頻譜儀觀察到的模塊發(fā)射信號在中心頻率為410 MHz的頻譜圖，Si4432的發(fā)射功率最高達10 dBm，接收靈敏度可達-110 dBm，在空曠地帶通信距離可達2 km，傳輸速率為達100 Kb／s(或以上)時，誤碼率低于0．075％，可以滿足大部分無線數(shù)據(jù)傳輸性能要求。

    由于系統(tǒng)各節(jié)點均用電池供電，安裝到現(xiàn)場后往往不允許頻繁更換電池，所以系統(tǒng)對節(jié)能要求很高。從硬件的角度來看，耗電的主體是MCU和射頻芯片，而MCU和射頻芯片都有工作模式和睡眠模式，在睡眠模式時，它們的耗電是很少的，所以要節(jié)能，就應(yīng)該讓CPU和射頻芯片工作在睡眠模式中，結(jié)合系統(tǒng)電源管理軟件設(shè)計，實現(xiàn)模塊的最大限度節(jié)能，具體數(shù)據(jù)如下：LPC1114工作模式(3．3 V電壓)下電流為220μA，在Sleep模式下電流為6μA。射頻芯片Si4432發(fā)射電流為85 mA，接收電流為18．5 mA，power-saving模式電流為1μA。按照節(jié)點平均工作水平，并按照最低周期來計算，節(jié)點工作時間和休眠時間都是17 s。這樣，34 s最短周期內(nèi)，節(jié)點消耗電流為：
    8．4×(0．22+18．5+0．002+0．001)+1．7×0．04×85+25．6×(0．006+0．001)=163 mA
    那么本模塊中的16 A·h的電池能維持135．3天，實現(xiàn)了降低模塊能耗的目的。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠的無線溫度檢測系統(tǒng)節(jié)點設(shè)備方案，在整個系統(tǒng)測試中，本模塊各方面性能達到了理想效果，需要進一步解決設(shè)備在電機設(shè)備中的安裝固定、電機高速轉(zhuǎn)動對無線模塊的電磁干擾問題。