220KV变电站运行监控设计

VI

目录

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11769

摘要

VII

19046

ABSTRACT

VIII

12007

第一章绪论

1

3642

1.1、设计背景

1

23342

1.2、国内外技术发展现状

2

16181

1.2.1、国外发展现状

2

20330

1.2.2、国内发展现状

2

21281

1.3、设计目的

3

12136

1.4、系统结构

3

5884

1.4.1、传感器

3

4853

1.4.2、单片机

4

20252

1.4.3、通信模块

4

29150

1.4.4、平台模块

4

3494

1.4.5、受控设备

4

20761

1.5、论文结构

4

6539

第二章传感器模块设计

6

16961

2.1、温度传感器

6

21164

2.1.1、温度传感器的选型

6

4027

2.1.2、DS18B20芯片

7

9166

2.1.3、DS18B20性能

7

835

2.1.4、工作原理

7

22920

2.2、气体压力传感器

8

25017

2.2.1、气体压力传感器的选型

8

20058

2.2.2、MPX4115芯片管脚

9

3693

2.2.3、MPX4115传感器工作原理

9

6353

2.3、电压传感器

10

15875

2.3.1、电压传感器的选型

10

21697

2.3.2、CHV-50P传感器芯片

11

17205

2.3.3、CHV-50P传感器工作原理

11

20158

第三章单片机模块设计

13

6826

3.1、方案对比

13

20929

3.2、具体方案

13

26779

3.2.1、AT89S52管脚简介

13

2467

3.2.2、AT89S52主要功能

15

26613

3.2.3、AT89S52定时器/计数器

15

29230

3.2.4、AT89S52的寄存器

17

26538

3.2.5、AT89S52的最小系统

18

32685

3.3、CC2430单片机

19

28527

3.3.1、CC2430引脚功能

19

21812

3.3.2、CC2430的主要特点

22

12149

3.3.3、CC2430的最小系统

23

15860

3.3.5、CC2430的寄存器

24

15071

3.3.6、CC2430自带的A/D转换

25

2644

第四章通信方式模块设计

27

19209

4.1、有线通信

27

13987

4.1.1、有线通信的原理

27

31190

4.1.2、有线通信的优缺点

28

12457

4.2、无线通信方式

28

5024

4.2.1、无线通信方式原理

28

31321

4.2.2、无线通信的基本特点

29

25988

4.2.3、无线通信的优缺点

29

7024

4.3、光纤通信方式

31

21271

4.3.1、光纤通信发送端的设计

31

8399

4.3.2、光纤通信接收端的设计

31

5839

4.3.3、光纤通信设计总体布局

32

8135

4.4、ZigBee通信方式

33

27298

4.4.1、无线方式的选型

33

9402

4.4.2、ZigBee简介

34

679

4.4.2、ZigBee通信发射端的设计

34

28597

4.4.3、ZigBee通信的接收端设计

35

20927

4.4.4、ZigBee通信的总体设计

35

14067

第五章220KV变电站监控总体设计

37

4243

第六章总结与展望

38

9835

参考文献

39

360

致谢

40

19669

附录

41

220KV变电站运行监控设计

摘要

随着现代社会经济、科技技术的飞速发展，导致对电力能源的需求与日俱增，同时对国家电网的安全运行水平提出了更高的要求和挑战，智能化、无人监控化电网的研究成为新的发展趋势。对大量未采用信息化的220KV变电站智能监控系统的研究具有重要意义。其中电力通信作为变电站运行监控系统中通信网络与监测设备之间的纽带，电力通信能否快速、准确的传输所需数据，已然成为了衡量变电站是否安全经济运行的必要技术手段。当前，正在使用的通信方式多种多样，但真正适合220KV变电站监控系统的并不多，因此需要选出最佳的通信方式。

论文首先介绍了变电站监控面临问题，回顾了变电站监控在国内外发展现在。分析了变电站监控运行监控的系统结构，并对220KV变电站监控的系统结构作出了模块化的相关作用简介。在分析了各种通信方式的特点及实用性的基础上，采用了ZigBee通信方式进行数据的短距离送，光纤通信汇总传输信号给计算机平台。在数据处理、转换的单片机选型中，采用了一些性能更加优异的新式单片机，如AT89S52、CC2430单片机。通过各种对与采集量相关的传感器的性能和优缺点的分析，选出了作为本次设计最为理想的传感器，如CHV-50P电压传感器、MPX4115气体压力传感器、DS18B20温度传感器，与传统的传感器相比，性能方面及抗干扰能力都有很大的提升。硬件采用模块化设计，主要包括传感器数据采集模块、ZigBee通信模块、光纤模块，单片机模块。

关键词：传感器，单片机，ZigBee通信方式，光纤通信

第一章绪论

1.1、设计背景

随着现代社会经济的不断进步，以及各种新型技术的不断涌现，变电站监控方式也发生了翻天覆地的变化，由最初的由工作人员实地查看到自动化监控，还有着无人监控的趋势。变电站作为整个电网传送的中转站，承担着不可或缺的作用，变电站安全、稳定可靠的运行是整个电网能够稳定运行的必要条件。在整个变电站技术革新的大趋势下，我国从几十年前也开始对变电站监控技术进行研究和发展，在这近几十年的研究和发展过程中，取得了巨大的突破，但是由于目前国内工业水平还不够先进，对该方面的相关技术研究也相对较少，与一些在这方面起步较早的国家还存在着很大的差距。这对变电站的监控系统能力提出了一个巨大的挑战，因为监控设备在强电磁、大干扰情况下运行，会受到较强的干扰，随时有可能会发出错误的信号误导工作人员的判断。所以急需采取新的技术和抗干扰能力更强的监控设备，来对变电站的主要设备是否正常稳定的运行进行实时的监控。只有克服了监控系统中的相关技术难题，变电站高效稳定的运行就有了相关的技术保障。

变电站监控系统能够实时的对变电站主要设备的运行参数进行收集、处理及汇总。站内的监控人员能够通过变电站监控系统反馈来的信息加以分析，实时的掌握变电站设备的运行状况。变电站监控系统在这个变电站系统中起着至关重要的作用，通过对主变设备的实时监控，有利于提前发现设备故障，方便工作人员进行检修，提高了管理效率，保证了变电站能够持续稳定的工作，直接为整个电网的正常运行提供了保障。在220kV变电站监控制过程中还存在一些难以克服的技术问题，这些问题的存在影响了其运行的效率以及运行的安全性，因此必须要加强对监控系统相关比较难以克服的问题加以攻关，确保220kV变电站能够稳定、安全的运行。

1.2、国内外技术发展现状

1.2.1、国外发展现状

国外的一些国家由于其对变电站相关技术研究起步较早，在很多技术问题上已经实现了突破，智能化的监控设备也取得了巨大的发展。随着一些技术的突破，国外的一些国家从最初的人员监控，朝着全自动监控控系发展国外变电站监控系统的相关技术研究起步较早，在技术上已取得巨大的发展。目前，在国外的一些国家也诞生了一些无人值班的变电站。大大的提高了变电站的运行效益，加快了变电站的智能的发展进程。

随着工业技术的突飞猛进，诞生了高度集成化的的微处理器，为微机装置及计算机监控系统的发展及应用打下了牢固的基础。在变电站监控系统初期发展的进程中，最先在这方面取得一定成就的是日本数控系统SDC-1。欧美的一些国家对自动化监控系统领域不断突破，现在的电力市场中也涌现了许多以高效、安全、可靠的变电站监控系统，这时的监控系统发展到和计算机系统密不可分，变电站监控系的应用也变得越来越广泛，变电站的监控系统也越来越智能化。

1.2.2、国内发展现状

现阶段我国的监控技术还存在诸多不足，人员的操作及设备布局还不够规范，自动化监控技术水平也相对落后，这与我国的工业起步较晚，还存在着许多问题需要去克服，对于对变电站计算机监控系统的认识、研究和制造不足有关。如今，在国际社会上还没有对通讯网络和监控系统的统一规定出现，在我国也不存在相关的明文规定。因此对于传输协议和网络的选择上，也比较自由和随意。我国的变电站自动化监控技术的研究开始虽然起步较晚，但是随着国外监控技术的不断发展和完善，以及相关技术的发展和推广，为我国的变电站自动化监控技术提供了很好的平台。

国内也涌现出了许多髙校、科研单位和厂商共同的研究变电站自动化监控技术，推动了我国自动化监控技术的发展，缩小了与国外的差距。但也有许多问题需要进一步研究和探讨。

1.3、设计目的

1、采用温度、电压、压力传感器对主变压器油温、母线电压、断路器的气体压力进行参数的收集，解决人工监控不方便的问题。

2、利用单片机对采集的数据进行分析、处理以及监控，从而能让工作人员更加快速对数据进行对比分析，发现设备是否出现故障，从而提高了工作人员的管理效率。

3、通过ZigBee通信和光纤通信的使用，让变电站实现了远端实时监控，也让站内的值班人员能够实时的了解设备运行状况，能保证设备继续运行，提高了变电站的可靠运行。

1.4、系统结构

针对220KV变电站中一些情况，为了能够更好的对220KV变电站运行监控，设计了主要由传感器模块、单片机模块、通信模块、平台模块、受控设备模块组成的系统结构。

图1、系统结构图

1.4.1、传感器

传感器是一种应用于数据量的采集、检测的装置，能感知被测量的相关信息，并能将感知到的设备信息，转换成成为电信号的方式输出，从而达到信息的记录、处理、传输和控制等要求。在本次设计中主要用来采集主变压器油温、母线电压、断路器的气体压力等相关采集量。

1.4.2、单片机

单片机由于其芯片体积很小、控制能力强、功率消耗低、扩展十分灵活和使用方便等优点，从而使单片机应用变得十分广泛。本次设计的控制系统、数据采集系统、通信系统都出现了其身影，为220KV变电站的信息传输和处理提供很好的服务。

1.4.3、通信模块

考虑到220KV变电站由于传输距离较远，而且信号传输过程中还会受到强电磁干扰，所以在设计过程中采用ZigBee把采集量集中，然后通过光纤通信传输到平台。

1.4.4、平台模块

在本次设计中，平台模块采用的是一台工业计算机来进行整体数据的呈现及数据汇总等。用来完成对传感器采集的数据进行处理；另一方面还能通过对单片机发出命令，把信息转换成控制变量的信号，再送往受控设备的控制器去，达到控制变电站主要设备的功能。

1.4.5、受控设备

本次设计中主要是采集主变油温、主变有无功、母线电压、断路器的气体压力四个采集量，计算机处理的也只有这四个量，则其受控设备只能是主变压器、母线、断路器。

1.5、论文结构

第一章、绪论；介绍220KV变电站的发展背景、国内外发展现状，以及220KV变电站监控系统的系统结构简介。

第二章、传感器模块设计；对电压、电流、气体压力传感器作出选型，以及其芯片管脚功能简介。还对其性能指标、与单片机连接功能作出了相应的分析。

第三章、单片机模块设计；通过DSP与单片机的对比，选出了单片机作为本次设计的信息处理及分析模块，并对选出的单片机芯片的引脚功能、性能、定时器、寄存器等进行说明。

第四章、通信方式设计；通过方案对比，选出光纤通信和ZigBee通信作为设计的通信方式，并对光纤通信和ZigBee通信方式的接收端进行分析。

第五章、220KV变电站运行监控整体设计；对整体设计进行分析，并加以说明。

第二章传感器模块设计

传感器是一种应用于数据量的采集、检测的装置，能感知被测量的相关信息，并能将感知到的设备信息，转换成成为电信号的方式输出，从而达到信息的记录、处理、传输和控制等要求。传感器的特点包括:体积小、数字化程度高、功能广、智能程度高。它是实现自动检测、控制的重要前提。

2.1、温度传感器

2.1.1、温度传感器的选型

温度

传感器

是指能感知外界温度并将其转换成模拟信号或者电平输出的传感器。温度传感器是温度测量、监测的主要器件，其种类、型号十分齐全。根据测量方式的不同，可将其分为两大类，一类是接触式，另外一类是非接触式；根据传感器材料和电子元件特性的差异，还可以分为

热电阻

式温度传感器和热电偶式温度传感器两类。热电偶式温度传感器在温度测量中是最常用的一类。其主要优点是测量的温度范围广和环境适应能力强，且结实耐用、性价比高，无需外部供电。热敏电阻是一种

半导体材料

制成的，其温度系数在大多数情况下是负数，温度增加会导致热敏电阻阻值的降低。由于其阻值受温度的影响较大，由于其阻值受温度的影响较大,因此它对于温度的测量最为灵敏。生产工艺对于热敏电阻制造的水平较低，而其不同厂家制造的标准也不相同，也不给出标准化的热敏电阻曲线，就导致了热敏电阻具有极差的线性度。根据设计所需，选出DS18B20温度传感器作为本次采集油温的传感器，DS18B20的时序读写和温度测原理与DS1820相同，只是获得的温度值位数由于各自的分辨率不同，结果也不相同，且温度转换过程中延时时间由原来2s减为现在的750ms。

2.1.2、DS18B20芯片

由于现场所采集的温度直接以“一线总线”的数字信号进行传输，使系统的抗干扰能力得到了大大提高，从而使它能够在恶劣的环境下对现场温度测量。

DS18B20引脚图：

GND为电源地

DQ为数字信号输入/输出端

3、VCC为外接供电电源输入端

2.1.3、DS18B20性能

由于其具有接线方便的优势，使DS18B20传感器封装成后能够应用于多种场合，其外观可以根据不同的应用场合而进行改变。封装后的DS18B20可用于机房测温、高炉水锅炉测温等各种非极限温度场合。由于其具备：耐磨程度高、体积小巧、使用十分方便、多样化的封装形式等优点，能够对各种位于小空间内的设备进行数字测温及适用于控制领域。

技术性能描述：①单线接口方式，只需要一条口线就能够与微处理器进行双向的信息交流。②其只能测量-55℃到+125℃之间的温度。③支持多点组网功能，可以在仅有的三线上并联多个DS18B20，并联的最大限额是8个，从而实现对温度多点测量，如果数量过多，会导致供电电源电压不足，造成信号传输在传输过程中的不稳定影响。

2.1.4、工作原理

其采集信号如下图所示：

较低温度系数的晶振，由于自身的振荡频率受到温度的影响很小，所以能够产生固定频率的脉冲信号传输给计数器1。较高温度系数的晶振，由于其振荡频率受温度的影响较大，计数器2的脉冲输入可由该信号担当。当计数器1被在-55℃所对应的其中一个基数时，温度寄存器也将预置到同一个基数值。

当温度系数较低的晶振产生脉冲信号传输到计数器1时，计数器1将会对该脉冲信号进行减法计数；假设计数器1的预置值为p,温度寄存器的预置值为“n”,当p=“0”时，温度寄存器的值由“n”变成“n+1”，随着温度寄存器预置值的增加，计数器1的预置将重新由“0”变到“p”，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，一直循环。直到计数器2计数变成“0”时，温度寄存器值的累加过程立即停止，这时温度寄存器中的数值“n+x”(x为循环次数与1的乘积)即为所测温度。测温过程中，热电阻会出现非线性的变化，导致测量误差的产生，所以必须要斜率累加器对其斜率进行补偿和修正，主要是修正对象是计数器1的预置值。

其采集信号如下图所示：

图2.1.4DS18B20与单片机连接图

2.2、气体压力传感器

2.2.1、气体压力传感器的选型

气体压力传感器主要是用于测量气体相对压强的转换安装，可用于测量人体血压、外界风压、管道气体压力、与气体压强相干的物理试验等方面。压力传感器对于一个监控系统来说十分重要，需要通过实际所需和不同压力传感器的性能指标进行对比，从而进行选择。通常自身带有温度补偿作用的压力传感器会优先选择，因为半导体压力传感器件中存在的温度漂移问题可以通过温度补偿特性来克服。本次设计中由于所需显示的压力值要是绝对的压力值，同时还要考虑到电路的简化，而且还要具备较高稳定性和强的抗干扰能力，所以要求在选用压力传感器要考虑到是否具有温度补偿能力。经过综合考虑，最后选用了由美国摩托罗拉公司生产的集成MPX4115压力传感器,该传感器产生模拟输出电压精度高，且内部自带放大电路，不需要额外的添加放大电路。

2.2.2、MPX4115芯片管脚

MPX4115气压传感器的管脚“1”与A/D转换器ADC0832的CH0端口相连，管脚“2”直接接地，管脚“3”接5V电源。

图2.2.2MPX4115引脚连接图

MPX4115管脚说明如表1所示：

表1压力传感器MPX4115管脚说明

1

2

3

4

5

6

VOUT

GND

VS

N/S

N/S

N/S

2.2.3、MPX4115传感器工作原理

MPX4115气压传感器通过对气体压力测量，将模拟信号转换成电平信号后，传送给A/D转换器，由A/D转换器将电平信号转换成数字量后再传送到计算机进行有效处理。MPX4115系列传感器是经过硅测量压力的一种压电式电阻传感器。由许多新型的微电子产品、镀金属薄膜结合而成，能够在信号传输过程中提供一个稳定压力。当温度为0℃-85℃的情况下,测量误差小于或等于1.5%，具有体积小、集成化高和可靠性好等性能优势。具体特性方面由如下表格可知。

MPX4114的性能参数如表2所示：

表2压力传感器MPX4115的特性参数

2.3、电压传感器

2.3.1、电压传感器的选型

由于本次设计需要采集的母线电压较大，所需要的传感器测量范围必须满足条件，通过如下表3的几款霍尔电压传感器的性能对比，选出CHV-50P为本次采集参数的传感器。CHV-50P具有的优点：(1)CHV-50P采用的霍尔原理，具有6400V的最大测量电压和0.2-0.5级的高精度等级，而且传感器本身带有散热片。（2）具有较高的物理隔离等级，18KV的初次级隔离电压。

表3电压传感器的性能参数

2.3.2、CHV-50P传感器芯片

CHV-50P霍尔电压传感器芯片由5个外接端口组成，能够测量AC,DC及脉冲电流，通过+HT和-HT端口进行数据采集，再由输出端输出。其管脚接线图如下图所示：

图2.3.2CHV-50P引脚连接图

1、+HT端口连接母线正极

2、-HT端口连接母线负极

3、+，-端口分别接A/D转换的VRETF+，VRETF-接线端

4、M端口通过电阻接到A/D转换的IN0端口。

2.3.3、CHV-50P传感器工作原理

CHV-50P传感器由被测电流流经导体，产生一定的磁场，再通过霍尔元器件输出，其输出信号控制的补偿电流再流经次级线圈，从而产生的磁场补偿的作用，最后当其原边磁场和副边磁场达到一定的平衡时，其补偿电流就能精确反映原边被测电流值，进而得出可靠的母线电压参数。为了能够进一步的了解CHV-50P传感器的工作原理，特此列出其模块的工作参数，如表4所示：

表4CHV-50P传感器模块参数

测量频率

测量范围

精度

相应时间

线性度

0-100KHz

1A-40000A

0.2%-1%

<1uS

0.1%

第三章单片机模块设计

3.1、方案对比

本次设计主要选择DSP和单片机作对比，选出一款更适合于本次的处理器。DSP芯片由于其内部采用的是哈佛结构，该结构能把程序和数据分开进行处理，其内部具有专门的乘法器用以提供特殊的DSP指令，可以用来对数字信号进行快速的计算和处理。DSP芯片具有集成度高、接口连接方便、计算处理性能优越、体积小、可编程度高、能够嵌入设备的狭小空间之内，运行过程十分稳定等优点。但也存在着许多不足之处,如成本价比较高、高频时钟的高频干扰强、功率消耗较大等诸多缺点。单片机相当于一个小型的具有数据处理能力的CPU，是一种集成的电路芯片，其构成包括：存储器RAM、存储器ROM、I/O口和中断、定时器/计数器等,其中ROM只能读取数据。其具有抗干扰能力强、保密性能好、时钟具有很好的防外部电磁辐射功能，使其应用十分广泛。但也存在着一些不足之处，如功耗较高、运行速度慢、集成度低的缺点。综合本次设计中所需的信息量以及DSP和单片机各自的优缺点，选择单片机作为本次设计的处理器。

3.2、具体方案

3.2.1、AT89S52管脚简介

AT89S52是ATMEL所生产的一种具有功能损耗低、体积小等优点的高性能8位微控制器。

1、电源线

VCC：电源接口，接+5V。

GND:电源地端

I/O端口及外部端口

表5I/O端口及外部端口说明

3.2.2、AT89S52主要功能

与MCS-51

单片机

产品兼容，有32个可编程I/O口线；

自身具有时钟振荡器；

8个中断向量源；

3个16位定时器/计数器；

全双工UART串行通道；

三级加密程序存储器；

低功耗和掉电后中断仍然能启动。

3.2.3、AT89S52定时器/计数器

1、定时器0和定时器1/计数器

定时器/计数器T0由两个特殊的功能寄存器构成，它们分别是TH0、TL0寄存器；定时器/计数器T1也是由特殊功能寄存器构成，分别是TH1、TL1寄存器。

不管是T0还是T1，都有工作模式和工作方式，其中工作方式有4种，工作模式有2种。其工作模式分别为定时器和计数器，其工作方式如下表所示：

表6M1、M0工作方式

2、T1和T0的高4位功能

（1）TF1、TF0-计数溢出标志位

当计数器计数溢出时，TF1=“1”或TF0=“1”。使用查询方式时，作为状态位供CPU查询，当CPU查询有效后应注意及时清“0”。当中断方式启动时，TF1、TF0作为中断请求标志位，在程序运行结束后，由系统自动清“0”。

TR1、TR0-计数运行控制位

表7TR1、TR0功能

3、定时器2

定时器

2是一类16位的定时/

计数器

，可以当做定时器和计数器来用，特殊

寄存器

T2CON中C/T2位决定了定时器2工作方式。

定时器

2有三种工作模式:

表8

定时器

2工作模式

RCLK+TCLK

CP/RL2

TR2

MODE

0

0

1

16位自动重载

0

1

1

16位捕捉

1

×

1

波特率发生器

3.2.4、AT89S52的寄存器

定时器

2

寄存器

由两个构成，包含定时器2的控制位和状态位，而其两个寄存器分别是T2CON和T2MOD寄存器，“RCAP2H”和“RCAP2L”对于寄存器来说，分别是定时器2的捕捉/自动重载寄存器。IE寄存器中允许各中断位进行寄存，6个

中断源

的2个优先级也可在I其中进行设置。

表8T2CON:

定时器

2

控制寄存器

TF2

EXF2

RLCLK

TCLK

EXEN2

TR2

C/T2

CP/RL2

7

6

5

4

3

2

1

0

3.2.5、AT89S52的最小系统

AT89S52的最小系统就是使单片机正常运行的最低配置，它由一些基本模块组成，包括了复位电路模块、电源电路模块、时钟电路模块、程序烧入模块。

复位电路

复位电路由电源、电容、电阻及手动按钮复位开关等组成。需要人为按下复位按钮，才能给RST端送入一个2个机器周期以上的高电平。当输入端RST接收到高电平时，单片机将启动复位，从而达到使程序从头开始运行。其电路图如右所示：

图复位模块电路图

2、时钟电路

时钟电路通常由1个晶体震荡器和2个并联电容组成。假设振荡器电路产生频率为f1,晶振频率为f2，当f1=f2时，这时用的是由外部提供的晶振。当由外部单独输入时，XTAL2脚一定是接地的，这时由XTAL1输入钟信号。至于输入信号的强弱则需要根据单片机的时钟周期要求才能决定其强弱。

图时钟振荡电路图

最小系统

由以上两个电路、VCC接5V电源、GND接地和程序的烧入引脚构成了AT89S52的最小系统。能够使AT89S52正常的工作，其最小系统电路图如下所示：

图AT89S52的最小系统电路图

3.3、CC2430单片机

由于本次设计中的温度传感器自带A/D转换，因此不需要外加A/D转换，而电压、压力传感器由于自身内部没有A/D转换，所以还需要外加A/D转换，考虑到对采集量处理效率以及CC2430芯片自身的优点，选出CC2439作为本次设计的A/D转换芯片,同时还兼职ZigBee信号发射及接收平台。

3.3.1、CC2430引脚功能

CC2430是由两个模块结合而成的，有21个可编程I/O串口，其组成模块一个是具有2.4GHz的高性能DSSS射频收发器，另一个是体积小且性能优异的8051控制器。CC2430不仅具有强大的外围模块以及8K的RAM，由于其内部具有1个8位的微处理器，使其能够对程序进行128KB编写和存储，且RAM也达到了8KB，同时其内部还自带A/D转换器、定时器、复位电路、掉电检测电路。目前市面上的CC2430芯片，主要由采用CMOS工艺进行生产的，CMOS仅仅0.18μm大小。

图3.3.1CC2430引脚图

其管脚功能说明：

电源线引脚功能：

（2）I/O端口线引脚功能

CC2430芯片的I/O口引脚共有21个，每个都可以进行编程。P0、P1口是都能够使用的8位串口，P2口可使用的位只有5个。当对CC2430芯片的软件中设定一组SFR寄存器的位及字节时，CC2430芯片的引脚可作为一般的I/O口、A/D转换连接的I/O口、定时器/计时器、外围设备I/O口使用。

I/O口有下面的关键特性

表9I/O端口线引脚功能

控制线引脚功能

表10引脚功能

3.3.2、CC2430的主要特点

◆对信息处理性能高和功率损耗较低。

◆具有2.4GHz的16位信道的无线通信。

◆接收无线信号十分灵活，还具备强大的抗外界的干扰能力。

◆在休眠模式时能耗较少，而且外部中断随时能唤醒休眠系统;在待机模式时流耗也很，外部的中断仍然能够唤醒待机的系统。

◆CSMA/CA功能在硬件方面应用上能够获得支持。

◆对外部提供电压范围比较宽。

◆RSSI/LQI的数字化程度十分高和DMA各种功能非常强大。

◆能够对电池电量、温度进行监测的功能。

◆具有能够进行14位模数转换的功能。

◆集成AES安全协处理器。

3.3.3、CC2430的最小系统

CC2430的最小系统由一个复位电路，两个晶振电路和3.6V电源，外加GND接地模块组成。

图3.3.3CC2430最小系统

3.3.4、CC2430定时器简介

CC2430由四个定时器组成，包括看门狗定时、MAC定时，内部有16位地址存储空间的定时器和两个8位存储空间的定时器。在这里主要介绍看门狗定时、MAC定时器，其定时模式介绍如下表所示：

表11运行模式介绍

3.3.5、CC2430的寄存器

CC2430寄存器是一种32k、64k或128k字节的片内模块提供可编程，而且数据不易丢失存储器。其寄存器配置说明如下：

表12P1口配置说明

表14T1CC0L配置说明

表15T2配置寄存器说明

3.3.6、CC2430自带的A/D转换

CC3430的A/D转换由3个控制寄存器构成，它们分别是ADCCON1控制寄存器、ADCCON2控制寄存器、ADCCON3控制寄存器，其中ADCCON1.EOC是标志AD转换的结束；将所得的数据放在-8192~8192之间大小的ADCH,和ADCL寄存器中。要根据参考电压算具体电压。

其设置说明如下所示：

1、ADCCFG=(0x01<<ch)，设定某些引脚为模拟输入；

2、ADCCON1=0x30;设置启动方法：由DACCON1.ST为1来驱动去转换；

3、ADCCON=0x10|0x00|0x06;也就是设置ADCCON3，ADC_SINGLE_CONVERSION设置参考电压，清晰度和输入信道。

4、ADCCON1&0x80；然后就可以判断转换是否完成。

5、关闭转换开关，读取数据。

6、根据清晰度返回数据。

第四章通信方式模块设计

随着社会的不断进步和人们对高效、快捷方便通信需求日益剧增，尤其是随着大规模集成技术发展和计算机技术的更新换代，通信方式的发展也朝着快速、稳定的传输方向加速发展。数据传输数字化程度高、传输信息容量大、信息传输距离远、信息传输效率高、信息在传输过程中保密性高等成为现代通信系统的特点。使得人们的信息交流变得简单快捷，同时也为电力行业得以突飞猛进的发展，通信方式的种类繁多，如电力载波通信、光纤通信、无线通信方式等。本次设计由于传输范围广，受电磁干扰强，所以本次设计选择ZigBee通信进行数据集中传送给单片机，再由光纤通信传送给主平台。

4.1、有线通信

4.1.1、有线通信的原理

有线通信是通信方式中的一种，利用电缆线、光纤等有形媒质达到传送信息的目的。光或电信号可以把声音、文字，图像等进行传输。

其原理图如下：

图4.1.1有线传输原理图

采用有线方式的方式将数据进行传输及汇总到综合应用平台，再由总平台分散传输给所需用户。有线通信分为:架空电线路和电缆工程。数据通信的发展，离不开通信技术和计算机技术,因为数据通信必须要有计算机技术及通信技术作为桥梁。通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，从而使不同地点的数据汇总，有利于广大用户对信息资源的共享。

4.1.2、有线通信的优缺点

有线通信的布线虽然受地形影响较大，但是其利用电缆或光纤来进行传输数据，不容易受到外界干扰的影响，所以有线通信对信号传输更加稳定，数据的传输也更加高速。由于其通过电缆线或光纤来进行数据的传输，所以其对人体辐射比较小，造成伤害也很小。有线网络由于其连接点多，能够使其进入更为复杂的传输介质，不仅可以对数据传输过程中出现的错误情况更好地监控，而且能够实现数据的统计，来预测出现故障的设备，提前做一些措施，有利于在故障发生时避免数据丢失。虽然现在生活中大多数都是以无线通信为主，但是有线通信在特定场合还是无线通信无法替代的。

4.2、无线通信方式

4.2.1、无线通信方式原理

无线通信系统指的是通过无线协议实现通信的一种方式。无线通信系统主要由三大部分组成，包括发送设备、接收设备、传输媒体。

图4.2.1无线通信原理图

其发射端由信号源、信号变换器、信号发射装置组成，信号源根据用户所需发出该信号，由于信号源发出的信号为电平信号，需要通过信号变换器把电平信号转换成发射机能够发射的信号，再由发射机进行发射。无线通信的接收端由接收机、变换器、用户构成，接收机接收到有信号源发出的信号后，再把该信号转换成电平信号，进而传输给用户的设备，达到用户所需。

4.2.2、无线通信的基本特点

无线通信方式主要是通过无线电波为基础的，其波段的不同导致其用途也不相同。无线电波具有如下特点：

（1）无线电波是一种电磁波，由于其传播速度与光速与相当，所以无线通信的传输能力极强。

（2）无线电波具有反射、直射、绕射和折射的现象，所以在信号传送过程中，不容易受到地形干扰。

（3）无线电波的传播介质比较广，传播方式多，因此其应用十分广泛。

图4.2.2、无线电波三种传播途径

表16无线电波的波段划分

4.2.3、无线通信的优缺点

无线通信设备具有极强的环境适应能力强，移动性能好，可以在移动过程中进行无线通信。由于其建造容易、成本低所以其运用十分广泛；但无线通信设备容易受到外部干扰，数据传输速率较慢，带宽连接点较少，不能进行长距离的信号传输。但是随着对无线通信中出现的问题和难点进行研究和发展，让无线通信的传输速率不断提高，使用更方便稳定快捷。

相比与有线通信而言，无线通信方式具有如下优点：

（1）成本廉价

有线通信方式的建设必须要挖掘电缆沟来铺设电缆线，需要大量的劳动力和物资，导致了其成本极高。而用无线数据传输方式则无需铺设电缆，只需要终端连接无线数传电台和架设天线，使其成本较低。

（2）建设工程周期短

采用有线通信的方式，必须挖掘电缆沟，且要架设距离很长的电缆线，工程量巨大，耗时较长。而用无线数据传输的方式，只需要架设接收和发射天线，工程量小，耗时短。

（3）适应性好

有线通信在一些复杂恶劣的环境下，其通信布线十分困难，而其布线成本也会随之增加，从而导致了有线通信存在着较大的局限性。而用数无线数据传输的方式，只需要架设相应高度的发射和接收天线，就能够实现双向通信，且建造难度小，成本低。所以其适应性比有线通信更好。

（4）设备维护更容易实现

有线通信的线路在发生故障的时候，还需要检修人员沿着线路检查，由于线路过长，连接点较多，导致很难及时的找出故障点并对其进行检修。而采用无线数据传输的方式，发生故障时，能够及时的找出故障点并对其进行检修，恢复线路正常运行。

扩展性好

如果采用有线通信的传输方式，还需要对系统的总体布线进行重新规划，施工起来十分困难，导致其成本的增加，而且还有可能对以前的通信线路造成破坏。但是如果采用无线通信的传输方式，相比之下只需把要增加的设备与无线通信的平台进行连接即可，扩充了系统的设备，使得其扩展性大大增加。

4.3、光纤通信方式

4.3.1、光纤通信发送端的设计

本次设计的发射端分别有一个发射装置MXP-243、发光源红外LED、处理芯片8032AH组成。光纤源发射端为红外LED，因为红外LED多用于电视等遥控器的装置中，现在市场上器件购买方便，且性价比高，实验效果好。

图4.3.1光纤发射端电路图

在光纤发射端，本次实验选择的是AT89S52芯片，12M晶振，满足发射装置MPX-243的晶振要求，在性能方面提高了更多，对于数据的处理变得更加快捷。发射装置MPX-243的TXDIS端口连接单片机AT89S52的P3.6端口；LOS端口连接P3.7端口，光纤发生源红外LED与单片机AT89S52的P1.4端口相连。这样就构成了合理的发射端配置。

4.3.2、光纤通信接收端的设计

收集资料阶段，准备了两种接收装置：

（1）通信光敏二极管，

（2）接收器EP1AGX50CF48416。

由于二极管的输出信号十分微弱，在信号接收过程中容易受到外部环境的干扰，从而使信号变得不稳定,还需要通过一些处理后才能获取相对较好的波形。而后者虽然不够均衡，但可以利用一些固定式的均衡设置来稳定收发器的串行通道，从而达到发送预加重和接收均衡的效果；收发器支持的串口连接方式较多，如串行环回、反向串行环回、伪随机二进制序列产生器和校验器等都可以和它串口相连，能够更好的实现光纤信号的接收。由于接收器EP1AGX50CF48416的各种性能都比较优异，所以本次设计选择其做为光纤通信的接收器。

图4.3.2接收器EP1AGX50CF48416电路图

设计选用EP1AGX50CF48416芯片作为接收器内部处理芯片。接收器EP1AGX50CF48416的GXB-RX4p连接发射器MXP-243的RD+端口；GXB-RX4n端口连接MPX-243的RD-端口；GXB-TX4p端口连接MPX-243的TD+端口，GXB-TX4n与TD-相连，从而组成合理的光纤信号接收器。

4.3.3、光纤通信设计总体布局

在发送端，先将外部输入的模拟信号通过AT89S52进行预处理，再通过芯片MPX-243内部自带的A／D转换器转化为数字信号送入MPX-243芯片进行处理。将预处理后的A／D数据进行整理，然后由MPX-243芯片内部自带的并串转换转换器进行并串转换，最后通过光收发模块完成电光转换后，由光纤发射器以光信号的方式发送出去。

在接收端，光接收器EP1AGX50CF48416将在接收到来自发射端的光信号后，由内部自带的转化器，将光信号转换成电平信号。然后，将转换后的并行数据送入EP1AGX50CF48416内部处理器完成信号的处理和分析。最后,经其内部自带的转换器将电平信号转换后，才能以模拟信号的形式传送给数据总线。

图4.3.3光纤通信总体电路图

4.4、ZigBee通信方式

4.4.1、无线方式的选型

设计无线通信方式的时候，选择了两种方案：一种通过WiFi通信，另一种为ZigBee通信。通过表可知，前者虽然有技术研发门槛低，产品成本低的优势，但其安全性非常低，产品的无线稳定性也比较差，功耗高、组网能力低，扩展空间受限制，导致其不适用于220KV变电站的监控。而后者相对于前者来说，其安全性高、功耗低、组网能力强，能够适应比较恶劣的环境，抗干扰能力也十分出色，是本次短距离传输数据的不二之选。

表17WiFi与ZigBee通信对比表

4.4.2、ZigBee简介

ZigBee具有传输距离短、结构简单、自身组织能力强、功率消耗很低、数据传输速率低、性价比高的特点。适用于复杂环境下对设备的自动控制和远程控制，由于其自身体积小，结构简单，使它能够嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种性价比高，功能损耗低的短距离无线并网通讯技术。

表18ZigBee的频带划分

在这三个频带中，只有2.4G不需要许可证，在全世界范围内都适用，由于其不受限制，而且传输速率较快，信道数叫多，因此，很适用于变电站监控系统的数据传输。

4.4.2、ZigBee通信发射端的设计

ZigBee通信发射端主要由CC2430、和发射天线组成，传感器采集的数据通过CC2430 处理成无线电波信号后由发射天线传送至远端。

图4.4.2ZigBee通信发射端电路图

在ZigBee通信发射端选用的是CC2430芯片，由于其具有很好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性等诸多优点。将发射天线痛过电容、电阻、电抗，分别连接到CC2430的RFN、RFP、WTTCH端口，这样就组成了合理ZigBee通信的发射端。

4.4.3、ZigBee通信的接收端设计

ZigBee通信的接收端主要由CC2430的最小系统及接收天线组成，接收天线在接收发射端发射出的电波信号后，将电波信号转换成电平信号，再传送给CC2430进行处理和分析，再由CC2430输出端口把数据输出。

在信号接收端同样采用的是CC2430芯片，由于它自身带有良好的A/D转换，及其优秀的性能，所以用在接收端也十分实用，把信号接收天线的端口通过电容、电阻、电抗，组成的滤波电路分别连接到CC2430的RFN、RFP、WTTCH端口，这样就组成了合理ZigBee通信的接收端。

4.4.4、Z