近年來(lái),隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅猛發(fā)展,高壓開關(guān)柜設(shè)備越來(lái)越多,開關(guān)柜設(shè)備誤操作事故是整個(gè)電力行業(yè)安全生產(chǎn)事故中最嚴(yán)重的事故,也是多發(fā)的事故之一.誤操作事故的后果輕則引起系統(tǒng)解列運(yùn)行，重則導(dǎo)致人身傷亡。開關(guān)設(shè)備誤操作事故的發(fā)生雖然有著管理和人為主觀方面的因素，但是開關(guān)設(shè)備本身存在安全隱患也是極其重要的因素。

目前各電力企業(yè)中所采用的開關(guān)柜能在一定程度上防止電氣誤操作。然而，由于操作人員的疏忽大意，走錯(cuò)間隔等類似事故仍時(shí)有發(fā)生，為了避免操作人員疏忽而造成的觸電事故頻繁發(fā)生，迫切需要一種能夠在操作人員操作開關(guān)設(shè)備前對(duì)操作設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音提示的信息裝置。

本文在此背景下提出并開發(fā)了一套智能高壓開關(guān)柜自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜開啟后的間隔語(yǔ)音信息提醒，通知操作人員所打開開關(guān)柜的相關(guān)信息，并記錄開關(guān)柜的開啟和關(guān)閉時(shí)間,形成歷史記錄。各語(yǔ)音提醒裝置擬采用微機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理和信息查詢。

1系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)功能

圖1所示為本智能高壓開關(guān)柜自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)由兩部分組成，分別是開關(guān)柜發(fā)送端和接收、記錄的系統(tǒng)后臺(tái)。其中，發(fā)送端完成以下功能：當(dāng)開關(guān)柜門打開時(shí),發(fā)送端裝置開始間接播放開關(guān)柜的語(yǔ)音信息，以便于工作人員確認(rèn)是否操作正確的開關(guān)柜，并向后臺(tái)發(fā)送經(jīng)PT2262編碼后的開門事件信息，供后臺(tái)記錄開關(guān)柜編號(hào)及開門時(shí)間；當(dāng)工作人員確認(rèn)并按下裝置的確認(rèn)按鈕后，語(yǔ)音提醒關(guān)閉，發(fā)送端向后臺(tái)發(fā)送編碼后的確認(rèn)操作事件信息；當(dāng)工作人員完成操作后關(guān)閉開關(guān)柜門時(shí)，裝置向后臺(tái)發(fā)送編碼后的關(guān)門事件信息，供后臺(tái)記錄開關(guān)柜編號(hào)及關(guān)門時(shí)間；此外，當(dāng)裝置電池電量低于一定值時(shí)發(fā)送端發(fā)送低電量報(bào)警事件信息至系統(tǒng)后臺(tái)。系統(tǒng)后臺(tái)主要功能是負(fù)責(zé)記錄各開關(guān)柜開門、關(guān)門及確認(rèn)操作的時(shí)間，提供操作記錄查詢以及裝置低電量報(bào)警等。

1.2發(fā)送端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的發(fā)送端結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括電池、傳感器、語(yǔ)音模塊、無(wú)線發(fā)送模塊、編碼器、電壓監(jiān)視電路和單片機(jī)控制模塊等幾個(gè)功能模塊，其中，電池給整個(gè)發(fā)送端供電。

傳感器選用磁性開關(guān)，用于向以單片機(jī)為核心的控制模塊提供柜門的開關(guān)狀態(tài)。

語(yǔ)音模塊以WT588D為核心。WT588D是具有51單片機(jī)內(nèi)核的語(yǔ)音芯片，可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)上錄制好的語(yǔ)音信息下載到芯片內(nèi)置的SPI-Flash存儲(chǔ)器，或者外掛的大容量存儲(chǔ)器。

WT588D中共有220個(gè)語(yǔ)音地址，每個(gè)地址可以組合多段語(yǔ)音是WT588D具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)叫在開關(guān)柜的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，播放的語(yǔ)音基本相似，只是各個(gè)開關(guān)柜名稱及編號(hào)不同而已。如果將所有的語(yǔ)音完整地存放進(jìn)存儲(chǔ)器中，在錄音時(shí)需要針對(duì)每個(gè)開關(guān)柜單獨(dú)錄制，比較復(fù)雜，容易出錯(cuò)。而采用WT588D分段錄制，然后加以組合，這樣只改變與開關(guān)柜名稱及編號(hào)相對(duì)應(yīng)部分的錄音既可，大大簡(jiǎn)化了錄制過程。

語(yǔ)音播報(bào)功能主要由單片機(jī)控制語(yǔ)音輸出。利用單片機(jī)3條普通的I/O端口線模擬二線串口總線時(shí)序與WT588D語(yǔ)音芯片連接，控制語(yǔ)音芯片播放。

無(wú)線發(fā)送選用DF發(fā)射模塊。DF無(wú)線發(fā)射模塊通訊方式為調(diào)幅AM,工作頻率為315MHz,為ISM頻段,發(fā)射功率小于500mW。DF超再生式接收模塊通訊方式為調(diào)頻AM,接收靈敏度高,用示波器觀察輸出波形干凈，抗干擾能力強(qiáng)叫DF模塊的傳輸距離與調(diào)制信號(hào)頻率及幅度，發(fā)射電壓及電池容量，發(fā)射天線，接收機(jī)的敏感度等有關(guān)。一般在開闊區(qū)最大發(fā)射距離約800m[²]。作者實(shí)測(cè)空曠環(huán)境在四節(jié)5號(hào)電池供電的情況下有效發(fā)射距離可達(dá)100m以上。作為開關(guān)柜自動(dòng)識(shí)別的無(wú)線通信可以滿足要求。

編碼器采用PT2262。PT2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，是目前在無(wú)線通訊電路中作地址編碼識(shí)別最常用的芯片之一叫PT2262芯片中有3個(gè)12位（A0~A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），并有6位（D0~D5）數(shù)據(jù)端管腳。本系統(tǒng)中采用六位地址碼和六位數(shù)據(jù)碼。通過撥碼開關(guān)控制地址碼，使各開關(guān)柜有唯一對(duì)應(yīng)的地址。通過六位數(shù)據(jù)位編碼對(duì)應(yīng)不同的事件。由六位地址碼和六位數(shù)據(jù)位組成一組編碼。從而任何一個(gè)開關(guān)柜事件都有唯一的編碼對(duì)應(yīng)表示，只需要正確識(shí)別數(shù)據(jù)可以判別。

電壓監(jiān)視電路實(shí)際采用滯回比較電路檢測(cè)電池電壓。當(dāng)電壓過低，影響芯片正常工作或語(yǔ)音播報(bào)時(shí)，電路輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變。單片機(jī)采集到以后做出相應(yīng)動(dòng)作。

1.3系統(tǒng)后臺(tái)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)后臺(tái)接收端的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括無(wú)線接收模塊、單片機(jī)和觸摸屏等設(shè)備。無(wú)線接收電路接收發(fā)送方的物理信號(hào),將信號(hào)反相后傳輸?shù)紺8051F330單片機(jī)，作為軟件解碼信號(hào)的輸入。單片機(jī)解碼后將結(jié)果發(fā)送至觸摸屏，由觸摸屏根據(jù)解碼結(jié)果中六位地址碼和六位數(shù)據(jù)位記錄開關(guān)柜編號(hào)及事件形成歷史記錄。 

無(wú)線接收模塊同樣選用DF接收模塊，DF接收模塊又可分為超再生接收模塊和超外差接收模塊。二者具體的比較這里就不一一列出，如有需要請(qǐng)讀者參考相關(guān)文獻(xiàn)?；诳垢蓴_能力及和單片機(jī)配合工作時(shí)的穩(wěn)定性，本為選用DF超外差RX3600高可靠性高靈敏的接收模塊。

觸摸屏采用昆侖通態(tài)（MCGS）觸摸屏TPC1063H，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化工控機(jī)。該產(chǎn)品采用10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640X480）,四線電阻式觸摸屏（分辨率1024X1024），同時(shí)還預(yù)裝了微軟嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE.NET和MCGS嵌入式組態(tài)軟件。

2無(wú)線通信

2.1編碼傳輸

保證開關(guān)柜端的發(fā)送模塊和接收的后臺(tái)系統(tǒng)能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵?；陂_關(guān)柜體和事件類型識(shí)別的角度考慮，每個(gè)開關(guān)柜的地址編碼必須不同，每個(gè)
事件的數(shù)據(jù)編碼也必須不同，這樣，當(dāng)接收端接收到發(fā)送端發(fā)出的事件編碼信號(hào)后，方可根據(jù)信息編碼判斷出是某個(gè)開關(guān)柜發(fā)生了某個(gè)事件，從而做出相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、通信距離和功耗等因素，本系統(tǒng)選擇臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的、一種CMOS工藝制造的低功耗、低價(jià)位、通用編碼芯片PT2262作為無(wú)線數(shù)據(jù)編碼芯片。

PT2262采用CMOS工藝制造，功耗低，外部元器件少,工作電壓范圍寬(2.6~15V)。芯片有12位(A0~A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，通過任意組合可提供531441地址碼，PT2262有6位(D0~D5)數(shù)據(jù)管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17管腳輸出，可用于無(wú)線發(fā)射電路。

編碼芯片PT2262每次發(fā)射時(shí)，至少發(fā)射4組字碼，發(fā)送的編碼信號(hào)是由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的一個(gè)完整碼字。設(shè)計(jì)時(shí)，可將編碼芯片PT2262的D0接高電平，D1~D3接低電平，其余懸空。圖4所示是系統(tǒng)無(wú)線輸出端的波形圖。其中數(shù)據(jù)碼輸出的波形如圖4(a)所示，而將一組字碼放大后的波形圖如圖4(b)所示，每個(gè)地址碼和數(shù)據(jù)碼用兩種脈沖寬度表示。兩個(gè)窄脈沖表示“0”，兩個(gè)寬脈沖表示“1”，前一個(gè)窄脈沖后一個(gè)寬脈沖表示F“懸空”，同步碼為一個(gè)同步頭和一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)的低電平組成。通過判斷脈沖的寬窄即可判斷編碼信息。

2.2軟件解碼

PT2272是通常與PT2262配套使用的硬件解碼芯片，當(dāng)PT2272接收到與其地址碼相同的PT2262編碼時(shí)，才能有效解碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)管腳輸出編碼中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位。對(duì)于多發(fā)送端的解碼任務(wù)，需采用多片PT2272進(jìn)行解碼，且由于PT2272芯片解碼屬于固定解碼，不便于現(xiàn)場(chǎng)頻繁更改和系統(tǒng)擴(kuò)展。因此，本系統(tǒng)采用C8051F330單片機(jī)進(jìn)行軟件解碼。

C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC),具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。

2.3硬件抗干擾

在無(wú)線通訊中使用單片機(jī)會(huì)對(duì)通訊系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾,根據(jù)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取以下抗干擾措施：

(1) 收發(fā)模塊應(yīng)采用目前國(guó)家允許無(wú)線遙控使用的頻率315MHz；

(2) 對(duì)于單片機(jī)振蕩頻率，為了解決單片機(jī)運(yùn)行速度與電磁干擾的矛盾，應(yīng)采用頻率為4MHz的晶體。

⑶另外，就是隔離。為了有效抑制單片機(jī)對(duì)接收模塊的電磁干擾，建議采用電源隔離和端口隔離等措施。端口隔離可采用三極管或比較器。

3結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)智能高壓開關(guān)柜的自動(dòng)識(shí)別任務(wù)進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)，采用了超外差的無(wú)線通信和基于單片機(jī)的軟件解碼技術(shù)，充分利用了超外差可靠的短距離通信品質(zhì)以及軟件解碼的簡(jiǎn)單、靈活的特點(diǎn)，該產(chǎn)品樣機(jī)目前已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中,取得了良好的應(yīng)用效果。

本項(xiàng)目成果的投入使用將對(duì)因誤操作引起的人身威脅和傷害具有重要意義。