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user: 3. 监测装置硬件结构设计 3.1. 温度传感器的选择 目前，随着材料科学的快速发展，用于温度测量的传感器越来越多，市面上常见的温度传感器主要分为热电偶，热电阻，热敏电阻以及半导体集成电路温度传感器。 1) 热电偶 热电偶的结构简单，体积小，方便安装，可靠测温区间为−200℃~1300℃，但是需要附加的补偿回路来保持参考端温度恒定。在复杂的电磁环境下测温精度会受到影响。 2) 热电阻 热电阻的测温精度高，灵敏度优于热电偶，可以测量−200℃~850℃范围内的温度，并且不需要参考点。但是热敏电阻的尺寸较大，热响应时间较长，不适合测量小体积的区域。 3) 热敏电阻 热敏电阻的体积小，结构简单，可以测量−40℃~350℃范围内的温度，但是热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，元件的稳定性较差。目前，常见的热敏电阻一般为铂电阻，该电阻采用三线式平衡电桥输出，信号易受到干扰。 4) 半导体集成电路温度传感器 半导体集成电路传感器也叫数字温度传感器，传感器内部晶体管基极-发射极的正向压降随温度升高而降低。数字温度传感器的成本较低，可靠性高，而且数字信号的抗干扰能力强，特别适合局部测温。 考虑到现场环境电磁环境复杂，为了避免电磁干扰对测温精度产生影响，本装置并未采用传统的热电偶以及热敏电阻传感器，而是选择了高精度数字温度传感器。目前市面上常见的数字式温度传感器有美国Dallas半导体公司的DS18B20，MLX90620，ADT7420等。不同数字温度传感器的相关参数对比如表1所示。 Table 1 Comparison of key parameters of temperature senso 温度传感器 温度精度 分辨率 测温范围 DS18B20 0.5 0.01℃ −40℃~145℃ ADT7420 0.2 0.0078℃ −40℃~150℃ MLX90620 1℃ 0.01℃ −50℃~300℃ 表1. 温度传感器关键参数对比 通过对DS18B20，MLX90620，ADT7420传感器参数进行对比，最终确定使用ADT7420温度传感器。 温度采集模块采用温度传感器ADT7420，ADT7420是一款LFCSP封装高精度数字温度传感器，可在较宽的工业温度范围内提供突破性的性能。它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位ADC，用来监控温度并进行数字变换，分辨率为0.0078℃，额定工作温度范围为−40℃至+150℃。易于使用，不需要进行校准，低功耗，可长期稳定工作，可靠性高，适用于高精度测温场合 [ 10 ] 。 3.2. 温度采集模块的设计 为便于现场安装和测量，将温度采集模块制成小型PCB板，通过排线进行连接。ADT7420连接电路如图3所示。由于需要在现场布置大量温度传感器，为了节省I/O口资源，同时保证通信速率在一个较高的水平，采用数字I 2 C接口通讯。只需要两条总线线路，一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL，串行的8位双向数据传输位在高速模式下传输速率可达3.4 Mb/s。 图3. ADT7420连接电路 3.3. 温度采集模块的布置 电缆接头温度监测装置对电缆接头及其附近本体的温度进行实时监测，传感器阵列的全尺度布置示意图如图4所示。考虑到电缆接头为圆柱状结构，为实现温度采集模块的现场安装，温度传感器阵列的固定装置设计如图5所示。采用如下方式进行安装：① 将温度采集模块的PCB板紧扣于卡槽中，卡槽中间开圆弧形通孔，使用扎带将卡槽紧贴于电缆接头表面。② 卡槽后方开螺纹孔，使用螺母将刚扎带旋紧，起到固定作用。③ 通过扎带的伸缩，可实现对不同直径的电缆接头表皮温度数据测量。 图4. 电力电缆接头表面传感器阵列布置示意图 图5. 温度传感器阵列图 3.4. 数据传输模块的设计 温度数据的无线传输采用低功耗蓝牙技术，选择TI公司推出的兼容BLE协议的SOC芯片CC2541。该芯片具有适用范围广，快速启动并迅速连接，功耗低，体积小的优势。其有四种工作模式，包括主机模式，从机模式，观察模式以及广播模式。由于温度监测装置包含三个温度传感器阵列，采用3个蓝牙从机分别对每个传感器阵列你的温度数据进行无线传输。为避免不同蓝牙从机相互干扰，将主机和从机一一配对使用形成透传。主机和从机进行数据交换时，首先要保证主机和从机的蓝牙建立连接。主机和从机在上电以后，从机开启广播，主机对从机广播进行扫描，当从机接收到主机的扫描请求后，会向主机发送扫描回应数据，之后主机发起链接，连接建立以后主从机可进行数据交换。 数据传输模块控制芯片采用STM32L052C8T6超低功耗芯片，负责接收来自温度采集模块的信号，进行处理后传送给CC2541芯片 [ 11 ] 。微控制器STM32L052C8T6的外围电路如图6所示，包含复位电路和调试接口电路以及外围接口。针对调试接口电路，一般常用的是Jlink下载器，但是这种下载器使用的是JTAG 20PIN接口，太多的PIN会导致数据传输模块的PCB板拥挤。故采用选择SWD接口下载调试的方案，只需要使用4个PIN：GND、RST、SWDIO和SWDCLK，而且下载速度可以达到10 M/s，优势相较于JTAG接口显而易见。无线传输模块通过两个排插P1和P2与外部的温度采集模块进行连接，每个排插最多可以连接4个ADT7420温度传感器。 图6. 数据传输模块电路 3.5. 单片机核心处理模块的设计 主控芯片STM32F103ZET6与CC2541电路连接电路如图7所示。3个CC2541模块工作于主机模式，而另外三个传感器阵列的收据传输模块的CC2541模块工作于从机模式。控芯片STM32F103的外围电路包括时钟电路以及调试接口电路。时钟模块分别采用8 MHz和32.768 KHz的晶振，调试接口电路，采用20针的JTAG接口，通过Keil软件将程序下载到STM32芯片中。 图7. 主控芯片与CC2541连接电路 3.6. 供电电源的设计 电缆接头温度监测装置采用锂电池对其进行供电，可实现7.6 V直流电源输出，电量达10，000 mAh，对于监测系统主控模块来说，串口电阻触摸屏DC80480B07的输入电压为5 V，微处理器STM32F103ZET6的输入电压均为3.3 V，为满足其电路模块对电压的要求，采用电源转换芯片TPS54331和LM117实现7.6 V到5 V电压变换和5 V到3.3 V电压变换。电压变换电路如图8和图9所示。 图8. 5 V电压变换电路 图9. 3.3 V电压变换电路 采用单稳态施密特触发器SN74LVC1G14DBV和单上升沿触发器SN74LVC2G74DCT设计按键开关电路，通过按键驱动SN74LVC1G14DBV提供触发信号，SN74LVC2G74DCT输入D与输出Q的非门相接，形成反相器。可实现由按键控制电源转换芯片TPS54331的控制端PCON。按键开关电路连接图如图10所示。 图10. 按键开关电路 3.7. 串口通信电路的设计 为实现测温装置与上位机进行通信，系统预留了串口通信模块。本装置采用RS232串口作为数据收集终端与上位机的通信手段，该种通信方式简单，便于开发。由于一般上位机不自带RS232接口，考虑到现场实际情况，采用桥接芯片CH340G实现USB与UART之间的转换。通过在计算机安装CH340G驱动程序，计算机的USB接口将可作为虚拟串口，实现USB与UART的转换，实现RS232串口通信。串口通信电路如图11所示。 图11. 串口通信电路 3.8. SD卡存储系统设的设计 在整个测温系统中，采集的温度信号会先存储在微控制器ARM芯片内部闪存存储器内，并实时的将采集数据存入其内部缓存区，然后备份到外部的大容量SD卡中。STM32微控制器对SD卡进行读写操作时，可以选择SPI和SDIO两种通信接口，本装置由于SDIO接口已被占用，故采用SPI通信接口，该通信模式可保证数据传输过程安全、可靠、正确。SD卡存储模块电路如图12所示。 图12. SD卡存储电路 为了将采集到的温度数据保存到SD卡中，本系统中使用了FatFs文件系统。FatFs是一个专门为小型嵌入式设备设计的FAT文件系统。其具有较高的灵活性、可配置性，最小配置仅使用1K的RAM空间。FatFS不依赖硬件架构，完全与储存IO层解耦，可以备嵌入到低成本的为微控制器，如AVR、8051、ARM等类型设备，而不需要做任何修改。通过FatFs文件系统来管理SD卡文档，可以方便的在电脑上打开数据，数据保存格式采用CSV文件格式。