智能高压开关柜自动识别系统研究

    近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，高压开关柜设备越来越多，开关柜设备误操作事故是整个电力行业安全生产事故中最严重的事故，也是多发的事故之一，误操作事故的后果轻则引起系统解列运行，重则导致人身伤亡。开关设备误操作事故的发生虽然有着管理和人为主观方面的因素，但是开关设备本身存在安全隐患也是极其重要的因素。
    目前各电力企业中所采用的开关柜能在一定程度上防止电气误操作。然而，由于操作人员的疏忽大意，走错间隔等类似事故仍时有发生，为了避免操作人员疏忽而造成的触电事故频繁发生，迫切需要一种能够在操作人员操作开关设备前对操作设备进行语音提示的信息装置。
    本文在此背景下提出并开发了一套智能高压开关柜自动识别系统，实现开关柜开启后的间隔语音信息提醒，通知操作人员所打开开关柜的相关信启，并记录开关柜的开启和关闭时间，形成历史记录。各语音提醒装置拟采用微机进行统一管理和信息查询。

1 系统功能和结构
1．1 系统功能
    图1所示为本智能高压开关柜自动识别系统的总体结构图。本系统由两部分组成，分别是开关柜发送端和接收、记录的系统后台。其中，发送端完成以下功能：当开关柜门打开时，发送端装置开始间接播放开关柜的语音信息，以便于工作人员确认是否操作正确的开关柜，并向后台发送经PT2262编码后的开门事件信息，供后台记录开关柜编号及开门时间；当工作人员确认并按下装置的确认按钮后，浯音提醒关闭，发送端向后台发送编码后的确认操作事件信息；当工作人员完成操作后关闭开关柜门时，装置向后台发送编码后的关门事件信息，供
后台记录开关柜编号及关门时间；此外，当装置电池电量低于一定值时发送端发送低电量报警事件信息至系统后台。系统后台主要功能是负责记录各开关柜开门、关门及确认操作的时间，提供操作记录查询以及装置低电量报警等。

1．2 发送端设计
    本系统的发送端结构如图2所示，主要包括电池、传感器、语音模块、无线发送模块、编码器、电压监视电路和单片机控制模块等几个功能模块，其中，电池给整个发送端供电。

    传感器选用磁性开关，用于向以单片机为核心的控制模块提供柜门的开关状态。
    语音模块以WT588D为核心。WT588D是具有51单片机内核的语音芯片，可以通过个人计算机上录制好的语音信息下载到芯片内置的SPI-Flash存储器，或者外挂的大容量存储器。
    WT588D中共有220个语音地址，每个地址可以组合多段语音是WT588D具有的独特优点。在开关柜的自动识别系统中，播放的语音基本相似，只是各个开关柜名称及编号不同而已。如果将所有的语音完整地存放进存储器中，在录音时需要针对每个开关柜单独录制，比较复杂，容易出错。而采用WT588D分段录制，然后加以组合，这样只改变与开关柜名称及编号相对应部分的录音既可，大大简化了录制过程。
    语音播报功能主要由单片机控制语音输出。利用单片机3条普通的I／O端口线模拟二线串口总线时序与WT588D语音芯片连接，控制语音芯片播放。
    无线发送选用DF发射模块。DF无线发射模块通讯方式为调幅AM，工作频率为315 MHz，为ISM频段，发射功率小于500 mW。DF超再生式接收模块通讯方式为调频AM，接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。DF模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压技电池容量，发射天线，接收机的敏感度等有关。一般在开阔区最大发射距离约800 m。作者实测空旷环境在四节5号电池供电的情况下有效发射距离可达100m以上。作为开关柜自动识别的无线通信可以满足要求。
    编码器采用PT2262。PT2262是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。PT2262芯片中有3个12他(A0～A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，并有6位(D0～D5)数据端管脚。本系统中采用六位地址码和六位数据码。通过拨码开关控制地址码，使各开关柜有唯一对应的地址。通过六位数据位编码对应不同的事件。由六位地址码和六位数据位组成一组编码。从而任何一个开关柜事件都有唯一的编码对应表示，只需要正确识别数据可以判别。
    电压监视电路实际采用滞回比较电路检测电池电压。当电压过低，影响芯片正常工作或语音播报时，电路输出端会产生一个负跳变。单片机采集到以后做出相应动作。1. 3 系统后台结构
    本系统后台接收端的原理结构如图3所示，主要包括无线接收模块、单片机和触摸屏等设备。无线接收电路接收发送方的物理信号，将信号反相后传输到C8051F330单片机，作为软件解码信号的输入。单片机解码后将结果发送至触摸屏，由触摸屏根据解码结果中六位地址码和六位数据位记录开关柜编号及事件形成历史记录。

    无线接收模块同样选用DF接收模块，DF接收模块又可分为超再牛接收模块和超外差接收模块。二者具体的比较这里就不一一列出，如有需要请读者参考相关文献。基于抗干扰能力及和单片机配合工作时的稳定性，本为选用DF超外差RX3600高可靠性高灵敏的接收模块。
    触摸屏采用昆仑通态(MCGS)触摸屏TPC1063H，它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频400 MHz)的高性能嵌入式一体化工控机。该产品采用10．4英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率640×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率1 024×1 024)，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统Win CE．NET和MCGS嵌入式组态软件。

2 无线通信
2．1 编码传输
    保证开关柜端的发送模块和接收的后台系统能够可靠地进行数据交换是本系统的技术关键。基于开关拒体和事件类型识别的角度考虑，每个开关柜的地址编码必须不同，每个事件的数据编码也必须不同，这样，当接收端接收到发送端发出的事件编码信号后，方可根据信息编码判断出是某个开关柜发生了某个事件，从而做出相应的动作响应。综合考虑经济成本、通信距离和功耗等因素，本系统选择台湾普城公司
生产的、一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位、通用编码芯片PT2262作为无线数据编码芯片。
    PT2262采用CMOS工艺制造，功耗低，外部元器件少，工作电压范围宽(2．6～15 V)。芯片有12位(A0～A11)三态地址端管脚(悬空、接高电平、接低电平)，通过任意组合可提供531 441地址码，PT2262有6位(D0～D5)数据管脚，设定的地址码和数据码从17管脚输出，可用于无线发射电路。

    编码芯片PT2262每次发射时，至少发射4组字码，发送的编码信号是由地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字。设计时，可将编码芯片PT2262的D0接高电平，D1～D3接低电平，其余悬空。图4所示是系统无线输出端的波形图。其中数据码输出的波形如图4(a)所示，而将一组字码放大后的波形图如图4(b)所示，每个地址码和数据码用两种咏冲宽度表示。两个窄脉冲表示“0”．两个宽脉冲表示“1”，前一个窄脉冲后一个宽脉冲表示F“悬空”，同步码为一个同步头和一个时间较长的低电平组成。通过判断脉冲的宽窄即可判断编码信息。2．2 软件解码
    PT2272是通常与PT2262配套使用的硬件解码芯片，当PT2272接收到与其地址码相同的PT2262编码时，才能有效解码，驱动数据管脚输出编码中对应数据位。对于多发送端的解码任务，需采用多片PT2272进行解码，且由于PT2272芯片解码属于固定解码，不便于现场频繁更改和系统扩展。因此，本系统采用C8051F330单片机进行软件解码。
    C8051F系列单片机足完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。

    C8051F330单片机的流程图如图5所示。首先进行初始化，初始化完成后，开始接收子程序。先检测数据头的高电半(经过反向后的)，有数据头才开始然后计算两个脉冲之间的宽度，并判断脉冲的宽窄，误差限制在5％以内。连续接收24个脉冲为一次正确接收，连续三次接收正确后认为数据有效，置接收完成标志，返回主程序。主程序判断接收完成标志后进入解码子程序。解码子程序根据数据头后相邻的两个脉冲的宽窄判断该数据是‘0”(两个窄脉冲)、“1”(两个宽脉冲)还是“F”(前一个窄后一个宽)。顺次解码12位数据，解码成功后，再将解码结果传送给后台的触摸屏，进入下一次解码。
2．3 硬件抗干扰
    在无线通讯中使用单片机会对通讯系统造成严重的干扰，根据文献，设计时应采取以下抗干扰措施：
    (1)收发模块应采用目前同家允许无线遥控使用的频率315 MHz；
    (2)对于单片机振荡频率，为了解决单片机运行速度与电磁干扰的矛盾，应采用频率为4 MHz的晶体。
    (3)另外，就是隔离。为了有效抑制单片机对接收模块的电磁干扰，建议采用电源隔离和端口隔离等措施。端口隔离可采用三极管或比较器。

3 结语
    本系统针对智能高压开关柜的自动识别任务进行了系统开发，采用了超外差的无线通信和基于单片机的软件解码技术，充分利用了超外差可靠的短距离通信品质以及软件解码的简单、灵活的特点，该产品样机目前已成功应用于现场运行中，取得了良好的应用效果。
    本项目成果的投入使用将对因误操作引起的人身威胁和伤害具有重要意义。