采用NPX芯片实现SF6气体状态监控系统的设计

有关在电力系统中的电厂、变电站实现无人值守的设想很早就提出了，而单片机技术使得在线监测广泛应用于电力系统中的各个环节，为无人值守提供了技术上支持。通过总线通信技术，使工作人员在办公室能够利用后台服务程序，对在现场工作运行的电力设备进行监控、检测、故障维护等工作。

六氟化硫（SF6）因其良好的电气性能和稳定的化学结构被广泛应用于高电压、大容量、高参数电气设备中。随着电力系统向着大容量、高参数方向发展，SF6高压断路器已广泛应用于发供电企业。SF6绝缘气体的状态参数正常与否，严重影响着断路器的工作性能。随着SF6高压电器的日益增多及SF6封闭式组合电器系统的广泛应用，如何正确开展SF6气体密度监测的工作是一个急待解决的问题。

针对SF6断路器的各种性能指标要求，设计以Cygnal公司的C8051F330单片机为核心的智能监控单元、GE Nova Sensor公司最新推出的轮胎压力监测系统专用芯片NPX为传感器芯片构成监控子机，实现对SF6绝缘气体压力、温度、密度3个状态参数的测量和计算。通过RS485总线，由PC机和多监控子机构成监控系统，利用PC机的后台服务程序对子机状态进行查询、控制。

1 监控子机总体设计

监控子机的整体设计大致由四部分组成：传感器模块、主控制模块、LED显示及继电器控制模块和485总线传输模块。由于传感器需要封装在SF6断路器里面，传感器部分和其他三部分分别设计于两块印刷线路板上，通过连接线进行数据传输。

传感器模块的功能由1片NPX独立完成，其集成微处理器、压力温度传感器为一体，功能强大。NPX对SF6气体的压强、密度进行测量、补偿和校准，并量化成数字信号传送给主控制模块的MCU。主控制模块在接收到NPX发送过来的数据后，对数据进行处理、分析，然后将数据输出显示，并根据分析结果控制继电器状态和状态指示灯。同时主控制模块通过光耦器件和MAX485相连挂在总线上，可以通过485总线传输模块，利用PC机的后台服务程序对监控子机进行查询控制。

传感器模块、主控制模块为整个系统中的核心部分，下面将详细分析这两个模块的设计。

2 NPX芯片介绍

在传感器模块中，使用NPX芯片作为压力、温度传感器。NPX一1是GE Nova Sensor公司2004年初推出的第二代TPMS（汽车轮胎压力监视系统）压力传感器。其内集成有8位RISC微处理器（采用Philips公司的CPUPCH7970）、压力传感器、温度传感器、电压传感器、低噪声放大器和12位A/D转换器；内置RC振荡器提供系统时钟，无需外接晶体振荡器。其硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度，较低的功耗。

NPX中固化了压力传感器的测量、补偿和校准程序。每一个NPX芯片在生产时，由工厂在不同温度点（25℃和75℃）、不同压力点（满量程的O％、50％、100％）和不同电池电压点（2．3 V、3．1 V）采集12组数据，经过GE Nova Sensor专用的校准公式计算，将补偿和校准参数保存在NPX的E2PROM中。在测量时，由固化的压力补偿校准程序自动对此测量的数据进行计算，获得一个准确的测量值。

同时，NPX芯片可以工作在极端环境下，如高温（100℃以上）、低温（-40℃）、水汽（低温冷凝水结冰，NPX传感器具有独特的抗冷凝水结冰功能）、振动冲击等情况；同时NPX在每次压力测量后，都会采用一段内置代码对传感器的健康状况进行检测，以保证测量结果的可信度。

NPX体现了传统压力传感器与微处理器数字电路的完美结合，具有适合TPMS应用的独特优势，也适用于其他类型工程应用。在SF6气体状态监控系统的设计中NPX以其独特、优秀的性能满足了设计的要求。

3 主控制模块及其与NPX的接口设计

3.1 主控制模块

主控制模块由Cygnal C8051F330单片机及电源控制电路构成。C8051F330是美国Cygnal公司推出的一种混合信号SoC型8位单片机，是集成度很高的混合信号系统级的芯片。具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F330是能真正独立工作的片上系统。Flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外没具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

3．2 主控制模块与NPX的接口设计

C8051F330和NPX通用I/O的工作电压都是3．3 V，因此可直接利用I／O进行数据传输。设计利用3对I/O口完成C8051F330与NPX的通信。

NPX与C8051F330的通信过程如下：NPX的P11作为总同步，无数据传输时处于高电平，准备传输数据前向C8051F330的PO．7脚发送一个下降沿，触发C8051F330外部中断1，从而使单片机进行中断处理程序接收NPX的数据；NPX的P14脚作为位同步，P15脚作为数据传送端，在接收到位同步发出下降沿时，单片机从数据端读入一位数据。

NPX每2 s采集1次数据发送给主控制模块，温度、压强各8位，加上1位NPX状态标志位，一共需要传输17位数据。

C8051F330与NPX通信的I/O口需要进行如下配置：

C8051F330的PO．7脚接收到NPX发送的下降沿后，跳入外部中断1的中断子程序。在中断子程序中，开启定时器O计时，同时定义一个变量unsigned char bit_cntr计算读入数据的位数。在P1．0脚接收到一个下降沿时，单片机从P1．1脚读入1位数据，同时bit_cntr加1。当bit_cntr的值为17时，表明数据接收完毕，置标志位Data_Flag通知主程序接收到数据，关闭定时器0退出中断子程序；若NPX在发送数据时出错，则传送的数据不到17位。这种情况下，定时器0将会计数到溢出，程序查询到定时器0溢出后将清除标志位Data_Flag，同时退出中断子程序。

4 系统数据处理

在得到NPX传来的数据后，系统需要对其进行处理，通过接收到的温度、压强数据，计算、判断出当前SF6气体是否泄露。在实际工程应用中，一般给出标准SF6气体在20℃时的压强作为参考标准，因此主控制模块必须把得到的数据转化成20℃时压强。一般大致有3种方法对数据进行处理：

①采用查表法。有的厂商把SF6气体压强和温度的关系制成表格供用户查阅，使用起来好像更方便一些；但是，对于没有列入表格的温度和压强值要采用插入法求解。显然，利用预定表格来决定不同温度下的压强，也存在一定的误差，但在工程上还是可以满足要求的。这种方法最大的缺点就是，需要大量的存储空间来存储压强和温度的表格数据。

②按理想气体处理，计算压强温度系数。作为参考，按理想气体进行处理和计算，这时可使用状态方程式PV=RT。例如，对20℃下的额定压强为0．7 MPa（绝对压强）的高压SF6断路器，有下列公式：P=O．7T／（273+20）。由于实际工程应用中，SF6为非理想气体，故这种处理得到的结果误差比较大。气体额定压强越大，理想化后得到的压强温度系数的误差也就越大。

③按经验公式对数据进行处理。要较为准确地计算SF6气体的状态参数，有些经验公式可供使用。典型的有如下Beattie-Bridgman经验公式：

P=（R×T×B-A）×C2+R×T×C （1）

式中：P为绝对压强，bar（1Pa=10-5bar）;

C为密度，kg／m3；

T为绝对温度，K；

A=73．882×10-5+5.132 105×lO-7×C；

B=2．506 95×10-3—2．122 38×10-6×C；

R=56．950 2×10-5（bar×m3／K）。

Beattie—Bridgman公式在所有的处理方式中，是最接近实际值、误差最小的。故采用其进行数据处理。构造关于P、T、C的方程如下：

f（P，R，C）=（R？T？B—A）？C2+R？T？C—P （2）

由式（1）和式（2）可以看出，在确定压强P和温度T后，只须通过解一个三次方程即可得到此时SF6气体的密度C。由于其为一个三次方程，故在进行编程计算时，采用牛顿叠代法进行求解，以保证截断误差尽量小。计算得到SF6气体的密度后，令T=20+273，再通过式（1）计算出当前SF6气体在20℃时的压强P20。（软件实现程序略——编者注）

程序中压强P的单位为kPa。主控制模块根据转换得到的当前气体在20℃时相对应的压强和给定的标准值，判断当前的气体是否发生泄漏，再根据判断结果控制继电器和状态指示灯的状态。

结语

经实际检测，SF6气体状态监控系统可以高精度实现对压强、温度信号的采样处理。尤其是采用了高性能的数值分析算法--牛顿叠代法，来实现高精度的密度计算，有效、稳定、可靠地保证了监测数据的准确性。

另外，在本系统中采用的NPX芯片体现了传统压力传感器与微处理数字电路的完美结合。其与Cygnal MCU接口方便，具有广泛的应用价值。