王新陽　劉明利

摘 要：隨著世界人口的增長(zhǎng)和生產(chǎn)、生活質(zhì)量的進(jìn)步，以及化石能源的日益枯竭，人類對(duì)清潔電能的需求日益迫切，百萬千瓦級(jí)別的核電清潔能源機(jī)組建設(shè)也越來越多，為了便于土建施工，許多新型核電機(jī)組選擇了模塊化的設(shè)計(jì)和建造，大大縮短了機(jī)組的建設(shè)工期。然而，一些預(yù)期或不期的問題也隨之而來，比如輻射控制區(qū)域設(shè)備和負(fù)壓條件下通風(fēng)機(jī)組模塊的振動(dòng)測(cè)量問題就是其中之一，用我們常規(guī)的便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量將存在時(shí)間和空間上的困難。那么我們是否能夠?qū)F(xiàn)代的無線通信技術(shù)融合到振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域中呢？文章將從電子學(xué)理論和技術(shù)方面進(jìn)行無線振動(dòng)傳感器方案設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)通過無線射頻技術(shù)進(jìn)行設(shè)備振動(dòng)測(cè)量的理想目標(biāo)。最后將以此為根據(jù)，展望可能在未來實(shí)現(xiàn)建立全國(guó)無線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的宏偉藍(lán)圖。

關(guān)鍵詞：核電；模塊化機(jī)組；傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 概述

由于振動(dòng)理論的相對(duì)完善性及其對(duì)設(shè)備維護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可行性，振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷分析技術(shù)在維護(hù)幾乎所有的轉(zhuǎn)機(jī)、靜機(jī)等機(jī)械健康運(yùn)行和延長(zhǎng)壽命方面得到了全世界的認(rèn)可，任何電廠或相關(guān)企業(yè)都專門設(shè)有振動(dòng)崗位，期望通過振動(dòng)技術(shù)降低成本，以實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。

隨著工廠規(guī)模的逐步擴(kuò)大，存在空間上的不可達(dá)區(qū)域越來越多。比如近些年比較流行的電廠模塊化建造技術(shù)，能夠有效縮短工期，一些整體型通風(fēng)機(jī)組等模塊化產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生，通常這些模塊內(nèi)部的空間都極其狹小，振動(dòng)技術(shù)人員攜帶傳統(tǒng)的有線式振動(dòng)儀表難以進(jìn)入其中進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量；更如核電廠，存在放射性控制區(qū)域，正常運(yùn)行期間人員禁止進(jìn)入。這些因素限制了振動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，通過其他技術(shù)也難以對(duì)設(shè)備的健康進(jìn)行有效維護(hù)。

針對(duì)這些現(xiàn)實(shí)問題，本文將把無線射頻技術(shù)與振動(dòng)測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一款能夠進(jìn)行無線振動(dòng)測(cè)量的傳感器集成電路。

2 設(shè)計(jì)需求分析

（1）傳感器尺寸：無線傳感器監(jiān)測(cè)端需要安裝在待測(cè)設(shè)備上，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和種類繁多，安裝空間可能非常有限，這樣就要求設(shè)計(jì)的傳感器尺寸要盡可能小。

（2）成本控制：成本從來都是衡量設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要因素之一。

（3）功耗要求：本設(shè)計(jì)在器件選擇時(shí)需盡量選擇低功耗芯片，最好能有睡眠模式，有助于在我們需要時(shí)喚醒，不需要時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)降低功耗。

（4）無線頻段的選擇：全世界各個(gè)國(guó)家都對(duì)無線頻道的申請(qǐng)和使用進(jìn)行嚴(yán)格控制，最好選擇工作在無需向當(dāng)?shù)仡l譜管理單位申請(qǐng)即可使用的頻段的收發(fā)芯片，如433MHz，868MHz，915MHz，2.4GHz等。本設(shè)計(jì)選擇的無線射頻器件可以工作在433MHz頻段。

3 元器件選型

由于設(shè)計(jì)要求尺寸盡量小，所以要求所選元器件要具有盡可能高的集成度。綜合各因素，本設(shè)計(jì)選擇SiliconLabs公司的Si1002-E-GM2無線微處理器、Analog Devices公司的ADXL335三軸模擬加速度傳感器芯片及Maxim公司的MAX3232串口芯片。

3.1 Si1002-E-GM2無線微處理器

Si1002-E-GM2無線微處理器內(nèi)部集成了25MHz晶振的8051兼容內(nèi)核和EZRadioPRO無線射頻收發(fā)模塊，使得微處理器和無線射頻收發(fā)芯片集成在一塊芯片上，減少了芯片數(shù)量，進(jìn)而減小了傳感器尺寸。

Si1002-E-GM2具有22個(gè)I/O端口、4kB的RAM、64kB的Flash、10位分辨率的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器，以及增強(qiáng)型的UART、SPI、I2C總線接口。

Si1002-E-GM2還具有多種電源管理模式，我們最需要的典型的休眠模式下，電流僅為50nA。

EZRadioPRO無線射頻收發(fā)模塊的工作頻帶范圍為240-960MHz。最大輸出功率+13dB，靈敏度-121dB，最大數(shù)據(jù)傳輸速率256kbps，而且參數(shù)計(jì)算和設(shè)置都非常簡(jiǎn)單。

3.2 ADXL335三軸加速度傳感器

ADXL335三軸模擬加速度傳感器芯片體積?。?mm×4mm×1.45mm LFCSP封裝），測(cè)量范圍合適（±3g最?。牡停?50典型值），運(yùn)行溫度范圍寬（-40℃——85℃）且抗溫度變化穩(wěn)定性出色（±0.01%/℃），帶寬可調(diào)節(jié)（通過三個(gè)方向的濾波電容選擇來實(shí)現(xiàn)）。

3.3 MAX3232串口

MAX3232串口芯片用以實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，用以實(shí)現(xiàn)MCU和計(jì)算機(jī)之間的串行通信。

3.4 電源模塊

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求電源的輸出紋波小，即穩(wěn)壓效果好。從電池壽命考慮，要求電源電路減小功耗、提高效率，且不要占用太多PCB空間。

本設(shè)計(jì)各模塊的工作電壓范圍如下：

（1）Si1002-E-GM2：1.8-3.6V；

（2）ADXL335：1.8-3.6V；

（3）MAX3232：3.0-5.5V。

因此，選擇3.3V作為各器件供電電壓可以滿足要求，電源可選用9V電池供電，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓芯片選擇Advanced Micro Systems公司的AMS1117。

4 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)有兩個(gè)模塊：監(jiān)測(cè)模塊和接收模塊。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)量，兩模塊硬件設(shè)計(jì)方案一致，硬件組成框圖如圖1所示。

其中接收模塊連接一個(gè)1602液晶，用以顯示當(dāng)前狀態(tài)、接收到的數(shù)據(jù)等信息。

4.1 無線微處理器模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)需求分析，我們需要進(jìn)一步分配芯片內(nèi)各種資源，配置相關(guān)引腳功能以及設(shè)計(jì)各模塊電路。

4.1.1 芯片內(nèi)資源分配

（1）系統(tǒng)時(shí)鐘選擇：為減小尺寸，我們采用Si1002-E-GM2的內(nèi)部24.5MHz晶振作為時(shí)鐘源。

（2）ADC：Si1002-E-GM2擁有一個(gè)10位分辨率、最大數(shù)據(jù)傳輸速率300kbps模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0。它的功能是將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給MCU進(jìn)行處理。

（3）串口通信：UART0是一個(gè)異步全雙工的標(biāo)準(zhǔn)8051通用異步收發(fā)傳輸器。利用UART0可以建立起監(jiān)測(cè)模塊、接收模塊與計(jì)算機(jī)的通信。

（4）定時(shí)器配置：Si1002-E-GM2內(nèi)部有4個(gè)定時(shí)器，兩個(gè)16位定時(shí)器與8051定時(shí)器兼容，另兩個(gè)是16位自動(dòng)重裝定時(shí)器。我們選擇應(yīng)用Timer1為UART0提供波特率；應(yīng)用Timer2的溢出位作為ADC0的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。

4.1.2 輸入輸出（I/O）端口功能分配

Si1002-E-GM2具有22個(gè)I/O端口，19個(gè)端口可以應(yīng)用MCU的數(shù)字、模擬資源，另外3個(gè)專用于EZRadioPRO。利用自帶的優(yōu)先權(quán)數(shù)字交叉開關(guān)譯碼器功能可以自由地將P0^0-P2^6端口配置為模擬或數(shù)字端口。P1^0-P1^4是內(nèi)部與EZRadioPRO連接的專用端口。

6 初步成果

作者通過以上方案進(jìn)行了硬件焊接和軟件調(diào)試，完成初步成品，如圖6所示。經(jīng)測(cè)試，能夠滿足一般測(cè)振需求，如經(jīng)過具有資質(zhì)的單位進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定，則基本可以取代當(dāng)前的有線便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x表。

7 成本預(yù)估及目標(biāo)展望

核電站廣泛采用的便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x表一般為ENTAK公司和AMS公司生產(chǎn)，一套振動(dòng)測(cè)量設(shè)備大致在20～30萬元RMB左右。

本設(shè)計(jì)中用到的芯片、PCB、電容、電阻、電感等總共的費(fèi)用不到200元RMB。如果批量購買，單個(gè)傳感器成本將可能降低到150元RMB。

也就是說，購買一套便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x表的成本，可以制造出約2000個(gè)無線振動(dòng)傳感器，這個(gè)數(shù)量足以滿足絕大多數(shù)的核電機(jī)組需求，何況一般核電站都會(huì)配備若干套的振動(dòng)儀表，這也使得構(gòu)建更大范圍的無線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)這一宏偉藍(lán)圖成為可能。

本文僅針對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行了無線振動(dòng)傳感器方案設(shè)計(jì)。對(duì)于當(dāng)前多達(dá)千臺(tái)轉(zhuǎn)機(jī)的核電廠來說，可以建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞?，將所有測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過無線通信匯集到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再通過有線通信傳輸?shù)椒?wù)器上，并通過LabVIEW等虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)一個(gè)帶有頻譜分析等高級(jí)診斷功能的系統(tǒng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷分析。如將每個(gè)電廠的服務(wù)器再次進(jìn)行無線通信，把數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)性能更好的總服務(wù)器上，那么只需要建立一個(gè)振動(dòng)服務(wù)器基站，就可以完全監(jiān)測(cè)到國(guó)內(nèi)任何電廠的任何一臺(tái)設(shè)備的振動(dòng)狀況。

參考文獻(xiàn)

[1]胡飛，曹小軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開發(fā)寶典（第2版）[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[3]張肅文，高頻電子線路（第5版）[M].高等教育出版社，2014.