電機溫度監測系統低功耗無線節點模塊設計

　　摘要：提出了一種用于電機溫度監測系統的無線數據收發節點模塊設計方案，利用LPC1114的省電耗模式配合Si4432集成芯片實現無線收發模塊的低功耗。另外，針對模塊硬件實現RF前端高頻電路設計和前期仿真做出詳細說明，模塊的RF性能指標分別做了測試，分析了本模塊的耗能數據，可以滿足大部分的低功耗、低速率、高靈敏度的實時無線數據傳輸需求，本模塊已經可靠、穩定地應用于系統中。
　　
　　關鍵詞：低功耗；Cortex-M0內核；無線收發模塊；Si4432；電機溫度監測
　　
　　電機在長期高速運轉的情況下會產生大量熱量，引起主要部件的溫度升高，出現電機燒毀現象，像動車組列車牽引電機，可能會帶來嚴重的安全隱患，由于大部分電機的特殊結構，傳統的紅外軸溫監測系統，無法檢測到電機的溫度。實時測量電機的溫度，防止電機過熱產生故障是設計系統的目標。本文提出的溫度檢測系統利用內嵌Cortex-M0內核的低成本、低功耗MCU把溫度傳感器采集到的溫度數據通過高集成度、低功耗的射頻芯片發送到監控中心實現。
　　
　　1、模塊結構與硬件設計方案
　　
　　1．1無線模塊方案
　　
　　本系統網絡節點由數據采集、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測區域內待測對象的信息采集，選用DS18B20芯片；微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能，選用NXP提供的內嵌Cortex-M0核的LPC1114；無線傳輸單元負責低功耗短距離節點間通信，選用SiliconLabs提供的Si4432芯片；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點的長壽命和微型化。　　　　
　　1．2模塊硬件實現
　　
　　其中溫度傳感器通過一線數據接口把檢測到的溫度數據通過MCU的GPIO口傳送過去，MCU通過增強型SPI接口對Si4432進行內部寄存器讀寫，可以靈活配置各項參數。另外通過四線SPI接口，即MOSI，MISO，SCLK和nSEL。其中MOSI用于從LPC1114到Si4432的串行數據傳輸；MISO用于從Si4432到LPC1114的串行數據傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸；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，具體的硬件電路設計參考SiliconLabs提供的應用手冊，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發射功率放大器匹配電路的阻容參數，可以使Si4432達到較好的通信效果，通過ADS對RF前端的LPfilter電路進行仿真，其S參數仿真如圖2所示，可以看出在其240～960MHz通頻段內，具有很小的回波損耗。　　
　　溫度傳感器電路通過DQ數據線直連到LPC1114的GPIO端口，實現溫度采集數據傳輸。LPC1114通過JTAG接口或者ISP模式與PC通信，可以實現模塊程序在線調試，相關電路設計參考LPC1114的核心板的電路，需要注意JTAG接口中上拉電阻的設置。本方案中利用3V16AH的電池提供電源，在電路設計中用2．2μF，100nF，100pF，10pF不同值電容實現電源濾波電路，同時通過choke電感為Si4432發射功率放大器提供直流偏置電壓。
　　
　　2、PCB設計注意事項
　　
　　在這種數／?；旌想娐分?，PCB的設計優劣將直接影響到模塊整體性能，以下對本方案中的PCB設計關鍵問題做出簡要說明：
　　
　　（1）設計中的數字和模擬電源要通過扼流圈電感進行隔離，防止數字高頻電源對模擬信號產生干擾，電源接入端要加去耦電容，且盡量靠近Si4432芯片。濾波電容也應該盡量靠近相應引腳，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，應在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，應對整個PCB都覆地銅。提供了一個較好的RF地之后，TX／RX區域的對地敷銅區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，射頻電感放置方向相互垂直以減小耦合，RF高頻部分需要50Ω傳輸線作為連線。　　
　　模塊PCB布局布線效果如圖3所示。
　　
　　3、模塊軟件設計
　　
　　3．1軟件流程
　　
　　本模塊的軟件系統大體上可以分為以下部分：初始化部分、數據發送部分、數據接收部分，在系統軟件設計上仍然堅持模塊化分層設計，初始化模塊包括LPC1114的初始化，SPI的初始化，以及Si4432的關于無線收發頻率、工作模式、發射速率等內部寄存器的初始化配置，相關寄存器配置可以從SiliconLabs提供的Excel計算器中得到，以上各模塊軟件設計流程參考SiliconLabs提供的應用手冊，可以大大縮短研發周期。Si4432與MCU數據通信相關接口功能實現程序如下：　　
　　另外為了充分發揮本方案的低功耗優勢，在系統軟件中添加了電源管理部分，其功能就是實時檢測系統的供電情況，若檢測到系統掉電，即向中心發送掉電信息，同時向節點發休眠命令，進入休眠模式的設備節點，每半個小時喚醒一次，查詢中心是否已經上電工作，如果中心已經上電工作，節點進入工作狀態，若未檢測到中心工作，節點繼續休眠。主要包括掉電過程和上電過程兩部分，具體實現流程分別如圖4，圖5所示。　　
　　3．2模塊系統軟件調試
　　
　　本設計方案采用NXP免費提供的LPCXpresso類eclipse編程環境，利用NXP提供的Cortex—M0內核中SPI和GPIO控制相關驅動程序，實現SPI和GPIO分別與Si4432和DSl8820的數據傳輸，PC利用LPC—Link仿真器和Cortex-Debug接口，對LPC1114實現ISP調試模式，大大提高了開發效率。
　　
　　4、模塊指標測試與耗能分析
　　
　　本模塊方案已經應用于貨車軸溫測量系統中，達到了本方案的設計要求。通過頻譜儀對模塊的射頻指標做了測試，圖6為頻譜儀觀察到的模塊發射信號在中心頻率為410MHz的頻譜圖，Si4432的發射功率zui高達10dBm，接收靈敏度可達-110dBm，在空曠地帶通信距離可達2km，傳輸速率為達100Kb／s（或以上）時，誤碼率低于0．075％，可以滿足大部分無線數據傳輸性能要求。　　
　　由于系統各節點均用電池供電，安裝到現場后往往不允許頻繁更換電池，所以系統對節能要求很高。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，所以要節能，就應該讓CPU和射頻芯片工作在睡眠模式中，結合系統電源管理軟件設計，實現模塊的zui大限度節能，具體數據如下：LPC1114工作模式（3．3V電壓）下電流為220μA，在Sleep模式下電流為6μA。射頻芯片Si4432發射電流為85mA，接收電流為18．5mA，power-saving模式電流為1μA。按照節點平均工作水平，并按照zui低周期來計算，節點工作時間和休眠時間都是17s。這樣，34szui短周期內，節點消耗電流為：
　　
　　8．4×（0．22+18．5+0．002+0．001）+1．7×0．04×85+25．6×（0．006+0．001）=163mA
　　
　　那么本模塊中的16A·h的電池能維持135．3天，實現了降低模塊能耗的目的。
　　
　　5、結語
　　
　　本文設計并實現了一種低功耗、低成本、穩定可靠的無線溫度檢測系統節點設備方案，在整個系統測試中，本模塊各方面性能達到了理想效果，需要進一步解決設備在電機設備中的安裝固定、電機高速轉動對無線模塊的電磁干擾問題。