张显才，张 丰，陈 果

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

0 引 言

自改革开放以来，我国经济迎来了近40载的高速增长时期，一跃成为世界第二大经济体和亚洲第一大经济体。经济的快速增长牵引着电力系统的发展与变革，电力系统的发展为经济发展提供了必要的保证和支撑。当前，电力系统正朝着高电压、大电流和大容量的方向发展，同时供电的安全性和可靠性也备受关注[1-2]。在供电系统中，开关柜是不可或缺的重要组成部分，其运行的可靠性将直接影响系统的性能。由于开关柜长期处于在线状态，可能存在过负荷、相间短路、开关柜母线接头处氧化、松动等问题，极易导致母线发热和过热，这些问题如果不能及时得到监控和处理，将会引发供电故障甚至引起火灾[3]。

目前，对于母线温度的检测方法有以下几种：

（1）光纤光栅测温法[4]。光纤光栅体积小，重量轻，对于开关柜内部的强磁场和强电场有较强的抑制作用。但开关柜内部空间狭小，布线弯折多，影响测量精度。

（2）色片法[5]。色片传感器材料本身颜色随着周边环境温度的变化而变化。但这种方法只能通过人工巡检的方式观察色片颜色，粗略判断温度高低，既无法实现自动测量，更无法实现精确测量。

（3）接触式测量法[6]。将温度传感器直接贴于开关柜母线上，利用控制器直接读取传感器测量结果，实现温度的精确测量。但开关柜母线处于高压状态，与表贴的传感器间极易产生放电现象。同时开光柜内的强磁场和强电场也会对传感器产生干扰，影响测量精度。

（4）非接触式测量法[7]。该方法主要利用红外辐射的原理。任何高于绝对零度的物体都会向四周辐射能量，通过测量辐射红外能量，经换算得到被测对象的温度。该方法对于开关柜内的强磁场和强电场环境有较强的抑制作用，测量精度高，安装受开关柜结构限制小，安装方便。因此，研究非接触式红外测温系统非常有意义。

1 系统组成和工作原理

红外辐射的频谱介于可见光和无线电波之间，其波长为0.7～1 000 μm，可以免于强磁场和电场环境的干扰。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的总辐射度与其温度的4次方成正比，通过测量总辐射度换算得到被测物体的温度[8]。

该无线测温系统由红外温度传感器MLX90614、激光二极管、i.MX6ULL处理器、LCD显示器、NB-IoT模块、RS 485电路以及直流电源模块构成。1个红外温度传感器和1个激光二极管构成一个测温节点，该系统共包含6个测温节点，分别测量开关柜内A、B、C相母线上、下电缆接头处的温度。激光二极管具有测量辅助定位的作用。采用AM2322温湿度传感器，实时测量开关柜内的湿度。测量的温、湿度在本地端LCD显示器上进行直观显示，便于巡检人员定期进行观测。同时，测量结果也可以通过RS 485总线和NB-IoT网络上传至上位机或远程服务器，实现远程监控以及进行数据的分析和故障预警。

2 红外温度传感器

2.1 MLX90614性能介绍

MLX90614是Melexis公司出品的数字式红外温度传感器，可以同时完成环境温度和物体温度的测量。内部集成低噪音放大器、热电堆传感器，17位ADC、DSP单元、32个1位的E2PROM和32个17位RAM。物体辐射红外能量，通过热电堆变成模拟信号，经过A/D转换后在DSP内进行处理，对测量结果进行修正和补偿。在-40～125 ℃的环境温度和-70～380 ℃的物体温度范围内，实现测量误差≤0.5 ℃，并将测量结果存放在内部RAM中。内部E2PROM主要存放MLX90614的ID号、配置和校准参数[9]。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2.2 MLX90614型号选择

MLX90614温度传感器根据不同的应用场景设计了不同的工作电压，以及不同的热电堆传感器数量和不同视场（FOV）的多种类型传感器。

《20 kV及以下变电所设计规范》中明确规定，10 kV配电柜最小安全电气净距不小于125 mm；20 kV配电柜最小间距不小于180 mm。因此，在20 kV开关柜内，传感器与母线的间距需大于180 mm[10]。

在母线铜排宽度位8 cm，传感器与母线间距为180 mm的情况下，应选用的视场FOV小于arctan（40/180）=13°。同时，由于主机外部接口大多为LVTTL电平标准，为直接与主机接口相连，需选用+3 V供电型号。

此外，由于红外温度传感器通过获取视场内红外辐射的平均能量得到平均温度，在满足配电柜最小安全净距的条件下，传感器的视场越小，测量的准确度越高。因此，实际选用的传感器型号为MLX90614ESF-DCI。该传感器为+3 V供电的医用级传感器，FOV仅为3°，采用内部梯度温度补偿算法，温度测量误差≤0.1 ℃。此传感器可以完全满足测量精度和安装距离的要求。

2.3 MLX90614通信协议

MLX90614与i.MX6ULL间采用SMBus总线通信。SMBus总线只允许有一个主设备，但可以有多个从设备。i.MX6ULL作为SMBus总线上的主设备，完成对MLX90614从设备的初始化以及测量结果的读取。SMBus协议如图2所示。SMBus总线在通信协议上兼容I2C总线，包含SDA和SCL线。SCL同步SDA是双向数据线，在SCL时钟线的有效边沿进行数据传输。通信时首先由主设备发送1位起始位，然后发送从设备地址和读写标志位。当SMBus总线上只有1个MLX90614时，其从设备地址固定为00H，当总线上存在多个MLX90614时，每个器件的地址由其内部ROM中的数值决定。从设备接收到有效的地址后，会返回应答数据。然后进行数据传输。在数据传输过程中，主、从设备每完整接收一个字节的数据后即会进行应答，所有数据传输完成后会发送一个字节的校验数据，验证数据通信过程的正确性，最后发送停止位，结束数据传输。

图2 MLX90614 SMBus协议

3 MLX90614的Linux驱动设计

系统采用i.MX6ULL处理器作为主控CPU。它是NXP公司聚焦于多媒体领域的一款高性能、高集成度和高性价比的处理器。采用Coretx-A7内核，主频高达792 MHz。片内外设丰富，包含1路LCD接口，2路CAN接口，2路以太网接口，2路USB OTG接口，8路串口，4路I2C接口和4路SPI接口等。内部集成了电源管理单元，降低了外部电源系统的复杂性以及对上电顺序的要求。

3.1 设备树的修改

设备树（Device Tree）是Linux3.x以后版本所引入的一种描述硬件资源的数据结构，包括CPU的数量和类别、内存基地址和大小、中断控制器、总线和桥、外设、时钟和GPIO控制器等[11]。它通过BootLoader将硬件资源传给内核，使得内核和硬件资源描述相对独立，对硬件平台的所有资源进行描述。

在本设计中，将MLX90614传感器连接至i.MX6ULL处理器的I2C1接口。I2C1接口与芯片引脚的复用关系和工作模式见表1所列。在此系统中，将UART4引脚复用为I2C1功能。

在NXP官方提供的imx6ull-14x14-evk.dtb设备树文件的基础上，根据表1所列的I2C1接口的引脚映射，进行2方面的修改：

表1 I2C1接口的引脚映射

（1）设置GPIO口的复用功能和电气属性；

（2）增加MLX90614设备节点。

设置引脚复用和电气属性的代码如下：

增加MLX90614设备节点的代码如下：

3.2 Linux系统驱动设计

I2C驱动包括I2C适配器驱动和I2C设备驱动[12]。I2C控制器驱动主要是初始化i2c_adapter和i2c_algorithm两个结构体。I2C控制器驱动通常由SOC厂家完成，用户只需要完成I2C设备驱动。I2C设备驱动需要初始化i2c_driver结构体，并向Linux内核注册[13-15]。i2c_driver结构体定义为：

该结构体中，struct device_driver成员用于与设备树中的Compatible属性进行匹配，当匹配成功后，probe函数执行。

Linux系统提供的SMBus总线常用的API函数有：

以上函数中，第一个参数均为指向i2c_client的结构体指针。i2c_client结构体代表一个挂载到i2c总线上的i2c从设备，包含该设备所需要的地址、名字、中断等全部信息。其结构体定义为：

该结构体在驱动与设备树匹配后，由I2C主机驱动自动完成其初始化，用户在编写驱动程序时无需手动初始化。

3.2.1 向MLX90614写入数据

主机向MLX90614写入数据的时序如图3所示。主机首先发送MLX90614的设备地址和操作指令，然后写入2个字节的数据及PEC校验数据，完成一次写操作。

图3 主机写入数据时序

3.2.2 从MLX90614读出输出

主机从MLX90614读出数据的时序如图4所示。主机首先发送MLX90614的设备地址和操作指令。然后再次发送MLX90614的设备地址，随后MLX90614输出所读取的数据及PEC校验值。

图4 主机读取数据时序

4 系统测试

将此系统安装于KYN28开关柜内，分别用于测量母线上下接头处的温度，并与福禄克F59E手持式温度测试数据比对，其数据见表2所列。

表2 MLX90614测量数据

5 结 语

本文详细叙述了基于Linux系统的开关柜无线测温系统的硬件组成和工作原理，以及MLX90614在Linux系统中设备树的描述方法及驱动。现该系统已成功运用于KYN28高压开关柜中。实际使用证明，该系统安装方便，测量精度高，对于开关柜内温度异常等潜在风险具有很好的预警作用。