電機溫度監測系統低功耗無線節點模塊設計

摘要：提出了一種用于電機溫度監測系統的無線數據收發節點模塊設計方案，利用LPC1114的省電耗模式配合Si4432集成芯片實現無線收發模塊的低功耗。另外，針對模塊硬件實現RF前端高頻電路設計和前期仿真做出詳細說明，模塊的RF性能指標分別做了測試，分析了本模塊的耗能數據，可以滿足大部分的低功耗、低速率、高靈敏度的實時無線數據傳輸需求，本模塊已經可靠、穩定地應用于系統中。
關鍵詞：低功耗；Cortex-M0內核；無線收發模塊；Si4432；電機溫度監測

電機在長期高速運轉的情況下會產生大量熱量，引起主要部件的溫度升高，出現電機燒毀現象，像動車組列車牽引電機，可能會帶來嚴重的安全隱患，由于大部分電機的特殊結構，傳統的紅外軸溫監測系統，無法檢測到電機的溫度。實時測量電機的溫度，防止電機過熱產生故障是設計系統的目標。本文提出的溫度檢測系統利用內嵌Cortex-M0內核的低成本、低功耗MCU把溫度傳感器采集到的溫度數據通過高集成度、低功耗的射頻芯片發送到監控中心實現。

1 模塊結構與硬件設計方案
1．1 無線模塊方案
本系統網絡節點由數據采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監測區域內待測對象的信息采集，選用DS18B20芯片；微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能，選用NXP提供的內嵌Cortex-M0核的LPC1114；無線傳輸單元負責低功耗短距離節點間通信，選用Silicon Labs提供的Si4432芯片；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點的長壽命和微型化。
本節點模塊硬件結構如圖1所示。

1．2 模塊硬件實現
其中溫度傳感器通過一線數據接口把檢測到的溫度數據通過MCU的GPIO口傳送過去，MCU通過增強型SPI接口對Si4432進行內部寄存器讀寫，可以靈活配置各項參數。另外通過四線SPI接口，即MOSI，MISO，SCLK和nSEL。其中MOSI用于從LPC1114到Si4432的串行數據傳輸；MISO用于從Si4432到LPC1114的串行數據傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si4432的操作才有效，具體的硬件電路設計參考Silicon Labs提供的應用手冊，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發射功率放大器匹配電路的阻容參數，可以使Si4432達到較好的通信效果，通過ADS對RF前端的LP filter電路進行仿真，其S參數仿真如圖2所示，可以看出在其240～960 MHz通頻段內，具有很小的回波損耗。