摘 要: 介紹了一種基于PLC（電力線通信）的傳感器信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件主要由16位AD7715模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、51單片機(jī)內(nèi)核、RISE3401電力線通信芯片組成。軟件以MCS-51匯編語(yǔ)言編制，并給出了軟件設(shè)計(jì)的流程圖。
關(guān)鍵詞: 傳感器；電力線通信；RIES3401
在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測(cè)和控制中, 傳感器信號(hào)的采集是最普遍最重要的項(xiàng)目之一。在一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)與測(cè)量裝置和傳感器相距甚遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法是采用長(zhǎng)距離的電纜系統(tǒng)或通過無(wú)線電傳輸。采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，會(huì)占用無(wú)線電頻率資源，而紅外線的傳輸方式，不能穿越墻體，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備終端的互聯(lián)和全部設(shè)備的集中測(cè)控。如采用電力線通信技術(shù)PLC（Power Line Communication)把電力線作為測(cè)控通信的物理平臺(tái)，采用信息流和能源流共用技術(shù)即可解決采用其他方法存在的問題。
隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使得以電力線通信的方式實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度、高可靠性的傳感器數(shù)據(jù)采集，使遠(yuǎn)程傳輸成為可能。本文將著重介紹基于電力線通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用新型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7715，單片機(jī)采用51單片機(jī)內(nèi)核，電力線通信采用RISE3401電力載波芯片。由于采用了電力線通信技術(shù)，傳感器信號(hào)的傳輸無(wú)需重新布線而是使用現(xiàn)成的電力線，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和復(fù)雜性。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于電力線通信技術(shù)的傳感器信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器采集信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)采用BPSK調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)過載波發(fā)送電路把信號(hào)耦合到低壓電力線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過低壓電網(wǎng)傳輸?shù)街付ń邮斩?，再通過解調(diào)、信號(hào)耦合電路，載波接收電路把信號(hào)分離出來。
2 硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集單元、單片機(jī)主控單元和電力線通信發(fā)送、接收電路三部分組成。
2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集單元
數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換組成，一般來講，傳感器輸出的信號(hào)都是模擬信號(hào)，若想利用電力線對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行傳輸，則必須對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過電力線載波芯片進(jìn)行調(diào)制，再耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。AD7715是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有0.0015％的非線性、片內(nèi)可編程增益放大器、差動(dòng)輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點(diǎn)。AD7715 以其優(yōu)良的性能價(jià)格比和較高的分辨率，在小信號(hào)的采樣中得到很好的應(yīng)用[1]。
AD7715可以方便地同具有SPI（串行外圍接口）接口的單片機(jī)和微處理器配合使用。在我國(guó)使用最普遍的是MCS-51系列單片機(jī)，本文選用STC89C516RD+單片機(jī)。圖2為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖。圖中AD7715的1管腳接MCU的P1.1管腳；AD7715的14管腳DIN為寫到片內(nèi)輸入移位寄存器串行數(shù)據(jù)的串行輸入端，接MCU的P1.2管腳；AD7715的13管腳DOUT為從片內(nèi)輸出移位寄存器中讀出串行數(shù)據(jù)的串行輸出端，接MCU的P1.3管腳；AD7715的12管腳為邏輯輸出DRDY，接MCU的P1.4管腳，當(dāng)DRDY為低電平時(shí)表明來自AD7715數(shù)據(jù)寄存器新的輸出字是有效的，當(dāng)完成全部16位的讀操作時(shí)，此引腳變成高電平；片選信號(hào)直接接地，圖中AD780是2.5V的基準(zhǔn)電壓。
采樣時(shí)要先寫通信寄存器，然后再寫設(shè)定寄存器，接著查詢DRDY信號(hào)，DRDY信號(hào)變低后可寫入讀數(shù)據(jù)寄存器命令，如果這時(shí)DRDY仍為低電平，可以將本次采樣的16位結(jié)果分兩次讀出，每次8位。當(dāng)采用60 Hz或60 Hz以下的更新速度進(jìn)行采樣時(shí)，AD7715對(duì)50 Hz的工頻有抑制作用，采樣的效果很好，但當(dāng)更新速度大于60Hz時(shí)，采出碼將出現(xiàn)波動(dòng)，效果變差，這時(shí)可以在讀數(shù)據(jù)時(shí)采用滑動(dòng)平均值數(shù)字濾波，使效果得以改善，即加入所謂的后置濾波器。AD7715內(nèi)置的程控放大器有1、2、32、128 四種增益選擇，正常單端情況下，2.5 V以下的信號(hào)選擇放大倍數(shù)為1，1.25 V以下的信號(hào)選擇放大倍數(shù)為2，78mV以下的小信號(hào)選擇放大倍數(shù)為32，19mV以下的小信號(hào)選擇放大倍數(shù)為128。本系統(tǒng)傳輸?shù)氖切⌒盘?hào)，選擇了放大倍數(shù)為128。
2.2 單片機(jī)主控單元
在控制單元電路里，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集和對(duì)電力線載波數(shù)據(jù)發(fā)送功能的控制，它使整個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為一個(gè)智能化的有機(jī)整體。單片機(jī)采用STC89C516RD+，它是STC公司推出的一款性價(jià)比很高的單片機(jī)。
2.3 載波發(fā)送、接收部分
2.3.1 載波發(fā)送電路
載波發(fā)送電路如圖3所示，載波發(fā)送電路中，載波模塊工作電平為 TX_16V，載波發(fā)送信號(hào)控制寄存器由STC89C516RD+配置，USR_DAC 芯片引腳輸出電平約為 1.34 Vpp，經(jīng)后續(xù)放大電路后，TX_OUT輸出電平在空載情況下有 15 Vpp輸出；增加負(fù)載至12 Ω時(shí)，輸出電平達(dá)到12 Vpp左右；實(shí)際輸出信號(hào)大小根據(jù)負(fù)載的不同而有所差異。載波信號(hào)經(jīng)過放大電路后，通過耦合電路直接被發(fā)送到電力線上。圖3中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) TX_EN_CTRL、DAC_XDAC_OUT 分別與RISE3401引腳14和引腳25連接，TX_OUT為耦合電路入口。TX_EN_CTRL為發(fā)送控制引腳：“1”打開外圍的載波發(fā)送電路控制；“0”關(guān)掉外圍的載波發(fā)送電路控制；該引腳輸出控制功能由RISE3401 內(nèi)部硬件完成，MCU不需要做任何操作；RISE3401要發(fā)送載波信號(hào)時(shí)需使用外圍的載波發(fā)送電路，使RISE3401經(jīng)放大的載波信號(hào)通過耦合電路入口TX_OUT發(fā)送到電力線上。
2.3.2 載波接收電路
載波接收電路如圖4所示。載波接收電路中，載波信號(hào)經(jīng)過耦合電路從電力線上分離出來，從TX_OUT 進(jìn)入，通過三階帶通（BPF）濾波器和衰減控制電路進(jìn)入 RISE3401的21引腳接口，該引腳是載波接收信號(hào)輸入端。
2.3.3 耦合電路
耦合電路如圖5所示。交流電的輸入端并有一壓敏電阻，用于保護(hù)后面的電路[2]。在L線串有一個(gè)0.22 μF/275 V聚酯電容，用來隔離50Hz交流電和通過有用的高頻載波信號(hào)[3]。并有一個(gè)1∶1耦合線圈以傳輸有用的載波信號(hào)，同時(shí)起到隔離高壓作用，讓大部分高壓降在聚酯電容上，使后面的電路不帶高壓以保護(hù)人身安全。TVS-8.5V瞬變二極管防止快速?zèng)_擊，保護(hù)后端電路。
3 軟件設(shè)計(jì)
發(fā)送主程序流程圖如圖6所示；接收主程序流程圖如圖7所示。
該遙測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高及抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。作為一種遠(yuǎn)距離傳感器數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)裝置，其通信可靠，不占用無(wú)線電頻率資源，無(wú)需鋪設(shè)電纜系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)通過測(cè)試應(yīng)用，實(shí)際使用效果良好。
參考文獻(xiàn)
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