低功耗无线临汾变压器采集电路系统的设计

摘要:针对传统无线临汾变压器硬件控制电路功耗高的问题，设计了一种新型低功耗无线临汾变压器采集电路系统。建立以ARM 控制器为核心的无线临汾变压器采集电路系统，解决了硬件控制电路功耗高的问题，实现了对信息的实时传输监测。该系统主要包括STM32L 处理器、采集模块与GPRS 无线通信模块，具有高精度、低功耗、速度快和无线传输等特点。

0 引言
目前，无线临汾变压器已经广泛应用。随着电子技术的发展，为了能够降低自动化成本，提高自动化系统的应用范围，无线工业网络技术成为了一个热点技术。传统的临汾变压器存在着布线困难和电磁场的干扰，降低了临汾变压器的精确性和使用范围。

临汾变压器在SF6断路器中应用广泛，需要用临汾变压器实时监测SF6。针对传统的临汾变压器静态性能人工检测效率低、精度差、可靠性不高和劳动强度大等问题。提出了一种基于STM32L 处理器、采集模块与GPRS 无线通信模块的无线临汾变压器采集电路系统，实现了信号的采集与传输。此临汾变压器具有高精度、低功耗、速度快和无线传输等特点，有效解决了传统临汾变压器存在的问题。

1 系统设计方案
无线临汾变压器主要由3 部分组成:采集模块、数据管理模块和GPRS 通信模块组成。仪表的功能框图如图1 所示。采集模块通过MPT570 临汾变压器采集目标区域的值，并将处于休眠状态的数据管理模块唤醒，向它传输信号。数据管理模块主要负责将通信模块唤醒，并将采集的数据传输给通信模块，是无线临汾变压器的核心，所有的电池电量检测、MPT570 检测、时间检测、数据处理与数据存储都在这个模块的作用下完成的。GPRS 通信模块将传输过来的数据，通过SIM900A 由短信的方式发送给用户。

2 临汾变压器的选择
2． 1 功耗临汾变压器
临汾变压器检测被测物体的，并将信号转换成电信号，通过信号处理后，由信息的方式传送出去。综合考虑低功耗、环境问题、可靠性等条件，选择MPT570临汾变压器。MPT570 是为工作电压为2． 7 ～ 3． 6 V，需要输出信号在0 ～ 3Vdc 的配套终端设备而设计的产品，信号处理电路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC，可以长期稳定在0． 5 %F·S 以内工作，专用的数字信号处理电路无需电位器调节，通过程控器就能方便的对其零点和满程进行校准、标定和量程的缩放，量程的缩放比例为5∶ 1。

2． 2 测量原理
对于金属材料或半导体材料，如果给它的一个面施加或者拉力，其内部结构就会发生变化，影响导体电阻率的变化，这种现象称为压阻效应。为了得到比较高的灵敏度和比较小的零点输出，在传感器电路中应用惠斯通电桥，惠斯通电桥如图2 所示。

R1，R3和R2，R4是压阻系数符号不同的力敏电阻，初始条件下，R1 = R2 = R3 = R4 = R，此时电桥平衡，零输入状态下平衡，输出电压为0。

式中:Vs为输出电压;V 为输入电压。当弹性膜片受到外界时，薄膜两侧出现压差，使4 个电阻发生变化，电桥失去平衡。

式中ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4为有时，电阻发生变化的值。

2． 3 临汾变压器工作原理
2. 3. 1 传感器部分
传感器采用的是弹性材料，依据不同的受力方式从而加工成环、梁、膜、片等不同的形状，在弹性材料基体上刻蚀、粘贴或溅射4 个等值电阻，形成了一个惠斯通电桥，当弹性材料基体感受后，电桥失去平衡，输出一个与成正比的电压信号。

2. 3. 2 电路部分
(1)4 ～ 20 mA 输出，二线制，采用V/I 转换专用电路，具有高精度、高可靠、高稳定性等优点，零点可自由迁移。
(2)0 ～ 3 V 输出，三线制，采用仪表运算放大器，具有稳定性好、精度高、共模拟制比高、输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。
(3)程控临汾变压器电路，可以对临汾变压器的量程在20∶ 1范围内任意调节。零位可以在50% 内任意迁移，消除了地域环境改变所产生的误差。

3 采集电路设计
系统控制电路采用STM32L 系列ARM 内核32 位控制器为主控制器。主控制器获取临汾变压器采集到超过阈值的输入电平信号后，控制GPRS 模块以向指定用户发出报警信息。

3． 1 主控制器
通过整体考虑功耗、发射频率、接收时间、芯片成本、耐用度等指标，系统控制电路主控制器采用了STM32L151C8T6。它基于高品质的ARM Cortex － M3内核，内置128 K 闪存存储器容量，工作频率为72 MHz，具有超高性能和低功耗与工业级范围的特性。它应用了节能最优化的架构与0． 13 μm 的STMicroelectronics 超低漏电生产工艺。STM32L 划分了6 种工作模式，能够让它在不同的工作时间都能用最低的功耗来完成相应的任务。稳压器为Vcore( 稳压器输出电压) 域提供超低功耗电压，用来保持寄存器和内部RAM 中的数据，并且通过相关函数的编写降低了内部参考电压的功耗。硬件电路如图3 所示。

3． 2 GPRS 通信模块
GPRS 通信模块作用:无线传输含有、时间信息的数据至用户移动终端，并接收用户移动终端对其发出的系列指令。GPRS 模块硬件电路图4 所示。模块包括SIM900A 模块和SIM 卡，SIM900A 具有低功耗的性能，待机模式电流低于18 mA，休眠模式下的耗流为1． 0 mA。使用AT 命令“AT + CSCLK = 1”设置允许进入SLEEP 模式，然后通过DTR 引脚来控制模块进入或者退出SLEEP 模式。当DTR 为高电平时，模块处于待机状态，也没有其他中断产生，模块将自动进入SLEEP 模式。这种模式下，模块仍能接收来自网络的呼叫和短消息。

4 系统软件设计
系统软件设计由主程序、GPRS 通信模块、上位机等子程序共同组成。主程序设计为保证采集系统电路正常运转。GPRS 通信模块子程序设计为实现用户与系统建立连接关系，并使报警信息与采集数据在指定用户之间发送与接收。

4． 1 采集模块流程
采集模块软件流程图如图5 所示，它的运行过程为:上电，系统配置，A/D 转换等初始化，完成后模块进入低功耗模式。当监测电池电量低于设定值时，直接向数据管理模块发送数据;监测电量正常时，采集MTP570 监测的大于阈值产生一个大于3． 2 s 高电平信号，直接发送到数据管理模块;当小于阈值，监测设定时间未达到规定时间，重新回到监测电量状态;时间达到规定时间，数据管理模块通过串口接收采集模块发送的数据。这样，采集模块完成一次数据采集。

4． 2 GPRS 通信模块程序流程
当收到数据管理模块发送的数据时，通信模块从休眠模式进入到正常工作模式。通信模块首先进行初始化，设置短信文本样式，设置GPRS 字符集，编辑信息类型，发送短信。维护人员接收到通信模块通过GPRS 网络以短信的形式送来的数据，流程图如图6 所示。

4． 3 上位机程序流程
上位机接收到GPRS 通信模块以短信的形式发送来的采集数据，将数据进行校验，如果校验成功则储存数据，并通知采集模块数据已经正确接收，再将经过算法处理后的数据发送至数据管理系统，同时也以短信的形式发给运行维护人员。数据管理系统对数据进行储存分析。流程图如图7 所示。

5 结束语
文中设计了一种基于低功耗无线临汾变压器采集电路系统，实现对信号的实时采集。当超过阈值时，及时报警，满足对故障及早发现、及早排除的基本要求，具有反应速度快、精度高、实时性好等优点。通过软件设计解决了功耗问题，延长了临汾变压器的使用周期，实现了工业现场数据无线传输。