基于電力線載波技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件主要由AT89C2051單片機主控電路、串行ADC0832模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、LM1893電力線載波發(fā)送電路等三部分組成；軟件以MCS-51匯編語言編制，并給出了軟件設(shè)計的流程圖。由于采集了電力線載波技術(shù)，該系統(tǒng)可用于遠距離信號的測量和傳輸，具有較高的實用價值。

　　在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測和控制中，電流參數(shù)的采集是最普遍最重要的項目之一。在一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，測量現(xiàn)場距離較遠且環(huán)境惡劣，計算機主控系統(tǒng)與測量裝置、傳感器遠離。傳統(tǒng)的方法是采用長距離的電費系統(tǒng)或通過無線電傳輸，但其成本較高或占用無線電頻率資源。電力線載波技術(shù)很好地解決了這些問題。它只需利用現(xiàn)有的電力線就能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利。

　　隨著半導體傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使得實現(xiàn)低成本、高精度、高可靠性的電流數(shù)據(jù)采集，以電力線載波方式進行遠程傳輸成為可能。在本系統(tǒng)中，電流數(shù)據(jù)采集用半導體磁阻式電流傳感器（MRCS），單片機采用AT89C2051，電力線載波通用采用LM1893芯片。由于利用了電力線載波技術(shù)，數(shù)據(jù)遠程采集不需要重新布線而是使用現(xiàn)成的電力線，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的成本和復雜性。因此這種系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域是非常實用的。

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　　1系統(tǒng)硬件組成及工作原理

　　1．1電流傳感器

　　利用銻化銦-銦（InSb-In）磁阻元件（MR）制成電流傳感器（MRCS），這是一種基于磁阻效應(yīng)的半導體傳感器。它在保留霍爾電流傳感器優(yōu)良特性的同時，又具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、線性度優(yōu)良等優(yōu)點。它的工作原理就是將能電導線周期的磁場轉(zhuǎn)換成為之對應(yīng)的電壓信號，其特點是能很好地對微弱電流信號進行非接觸式檢測。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導線、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永久磁鐵、五個引腳組成。其中，MR1和MR2是相對旋轉(zhuǎn)的一對磁阻元件，二者阻值相等。垂直放置于基片下的永久磁鐵為MR1和MR2提供偏置磁場B，可以提高MRCS檢測的靈敏度。待測電流流經(jīng)的導線置于MR1和MR2對稱軸的位置。當電流流過4、5引腳時，導線周圍產(chǎn)生空間磁場，其磁感應(yīng)強度為ΔB。這個空間磁場分別穿過MR1、MR2時，在某個瞬間方向相反，所以這個磁場與MRCS內(nèi)部永久磁鐵的偏置磁場B相疊加而產(chǎn)生的效果是使MR1和MR2的阻值一個增大，一個減小。根據(jù)歐姆定律，這種一增一減會使信號輸出端2的電壓變化幅度更大。依據(jù)這種電壓變化，MRCS就能夠檢測、采集到電流信號。

　　由于電流傳感器輸出為電壓信號，所以需要A/D轉(zhuǎn)換器將輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便單片機進行處理。圖2所示是輸出電壓與待測關(guān)系的特性曲線。從圖中可以看出，當電流為10～100mA之間變化時，輸出電壓由0.5V呈線性增大到4.5V，這說明電流傳感器的輸出具有良好的線性度。

　　1．2LM1893

　　LM1893是美國國家半導體公司生產(chǎn)的電力線調(diào)制解調(diào)芯片，可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的半雙工通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的全部功能。采用18腳雙列直插式，其引腳圖如圖3所示。它的主要引腳為：5腳（發(fā)送接收控制端）、10腳（載波信號的收發(fā)端）、12腳（解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端）和17腳（調(diào)制數(shù)據(jù)輸入端）。它由發(fā)送電路和接收電路兩部分構(gòu)成。芯片的工作狀態(tài)由5腳控制。當為高電平時，芯片處于發(fā)送狀態(tài)；反之，則處于接收狀態(tài)。發(fā)送電路部分由FSK調(diào)制器、電流控制振蕩器、正弦波形成器、輸出放大器和自動電平控制電路（ALC）構(gòu)成。單片機將數(shù)據(jù)從17腳輸入，由此輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)FSK調(diào)制后形成開關(guān)控制電流，驅(qū)動電流控制振蕩器產(chǎn)生三角，再由正弦波形成器形成已調(diào)正弦波信號，由輸出放大器放大后，送10腳輸出到電力線上。ALC則用以控制輸出信號的幅值。18腳為外接電阻端，用以調(diào)節(jié)載波頻率。通過調(diào)節(jié)5kΩ的可調(diào)電阻，LM1893的中心頻率可以在50～300kHz的范圍內(nèi)選擇。8、9腳用于外部放大管的射級和基極以提高發(fā)射功率。接收電路部分則由限幅放大器、鎖相環(huán)解調(diào)器、RC濾波器、直流偏置消除電路和脈沖噪聲濾波電路構(gòu)成。載波信號由10腳輸入，經(jīng)限幅放大器放大后，送鎖相環(huán)解調(diào)器（PLL）解調(diào)，解調(diào)輸出通過RC濾波器、直流偏置消除電路濾掉直流信號和高頻信號，最后經(jīng)脈沖噪聲濾波電路濾除信號中的脈沖干擾，從12腳輸出解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號。

LM1893的主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）采用抗噪聲的FSK數(shù)據(jù)移頻鍵控制器；

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率高達4.8kbps；

（3）載波頻率可在50～300kHz之間選擇；

（4）輸出功率可以在1～200倍的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；

（5）與TTL、CMOS電平兼容；

（6）適合現(xiàn)有的各種電力線路。

　　1．3系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

　　如圖4所示，整個系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、單片機主控單元和電力線載波發(fā)送電路三部分組成。

　　在控制電路單元，用單片機實現(xiàn)對電流信號的采集和對電力線載波數(shù)據(jù)發(fā)送功能的控制。它使整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為一個智能化的有機整體。單片機采用ATMEL的AT89C2051，它包含2KB內(nèi)存、128B的內(nèi)存、15根I/O口線、兩個定時計數(shù)器和一個全雙工的串行口。在設(shè)計中，用到了AT89C2051的T1定時器和串行口以及P1端口線。由于該單片機與MCS-51相兼容，因此在硬件電路設(shè)計和軟件編程方面更加方便。

　　數(shù)據(jù)采集單元主要由MRCS傳感器和ADC0832組成。ADC0832是帶有串行輸入輸出功能的8位逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為80μs。它的兩個模擬量輸入通道是可編程的，可以由串行輸入口DI的三位控制字指定通道，并選擇單端輸入和差分輸入兩種工作方式之一。MRCS將電流信號以電壓信的形式提供給ADC0832。選擇ADC0832的CH1為單端輸入工作方式，CH0為不工作。DI端輸入的控制字為“111”，可將DI固定接高電平。當單片機的P1.2口將ADC0832的CS腳置低電平時，在CLK的前三個脈沖上升沿，從DI端輸入控制字“111”，在接下來的八個脈沖完成轉(zhuǎn)換過程。按照逐次逼近式的機理，依先高位后低位的順序，轉(zhuǎn)換一位，存儲一位。并在下降沿由DO端輸出一位；在后續(xù)七個脈沖的下降沿又將存儲好的轉(zhuǎn)換結(jié)果按照先低位后高位的順序從DO端輸出。因此，一次完整的模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程完成，轉(zhuǎn)換后的八位數(shù)據(jù)就從P1.0口讀入到單片機中。

　　從實際應(yīng)用角度出發(fā)，系統(tǒng)在具體采集處理功能的基礎(chǔ)上，必須要有通信接口，具備遠程傳輸功能。實現(xiàn)電力線載波通信的關(guān)鍵問題是如何根據(jù)電力線的特性選擇合適的MODEM芯片及設(shè)計可靠的接口電路。因為電力線上的用電設(shè)備種類繁多，對載波信號傳輸過程所產(chǎn)生的干擾大部分是低頻調(diào)幅性干擾，所以電力MODEM芯片的調(diào)制方式應(yīng)該采用抗脈沖干擾強的調(diào)頻方式，同時應(yīng)適當提升載波信號功率以加大傳輸距離。在本系統(tǒng)中選擇FSK制式的LM1893。

　　電力線載波發(fā)送電路主要由LM1893和電力線接口（PLI）組成。AT89C2051通過串行口與LM1893通信，通信采用標準異步通信方式，并通過控制LM1893的收發(fā)狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳輸。選用定時器1作為波特率發(fā)生器，串行口采用波特率可變工作方式1。該方式為標準異步通信，其通信格式為每幀10位。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5腳TX/RX，決定數(shù)據(jù)是發(fā)送還是接收。當為高電平時，LM1893處于發(fā)送狀態(tài)。AT89C2051的串行輸出口TXD與LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端17腳連接，由單片機采集的數(shù)據(jù)就從LM1893的17腳送入，經(jīng)過FSK調(diào)制成150kHz的FSK載波信號，送10腳輸出載波信號。在與電力線的接口電路中，使用大功率齊納管和電阻組成限幅電路，起保護作用。它能避免系統(tǒng)受到諸如強雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾。而二極管T和變壓器TN則組成調(diào)諧功率放大電路。在這里，變壓器既耦合了載波信號，又使通信電路完全地隔離電力網(wǎng)工頻信號。載波信號的發(fā)送則經(jīng)過耦合變壓器與電力線相連。三極管T則用于載波信號的發(fā)送功率放大。通過T的功率放大，載波信號的輸出功率能夠提高近10倍。

　　2系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　在本系統(tǒng)中，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，用MCS-51匯編語言編寫。由于采用模塊化技術(shù)，使系統(tǒng)程序更加簡潔，占用內(nèi)存容量少。

　　系統(tǒng)軟件主要包括以下程序：

（1）初始化程序，主要完成以下工作：初始化MCU、初始化LM1893、初始化串行口；

（2）模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序，主要完成以下工作：ADC0832復位、控制字移入ADC0892，啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換、按先高位后低位接收數(shù)據(jù)、按先低位后高位接收數(shù)據(jù)；

（3）載波發(fā)送子程序，主要完成以下工作：設(shè)置串行口的工作方式、啟動串行口的發(fā)送。

　　按照圖5所示的系統(tǒng)軟件流程圖編碼，便可實現(xiàn)由流數(shù)據(jù)的采集和遠程傳送，在遠端的計算機主控系統(tǒng)就可以接收數(shù)據(jù)，并進行分析、處理和顯示。

　　為了保證電力線通訊的順利進行，本系統(tǒng)采用的通信協(xié)議遵守《地區(qū)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，并且參照了X-10協(xié)議。在電力線載波通信的過程中，因為通信方式為半雙工方式，所以一定要有包含控制機制的傳輸協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。每次通信為一個固定幀長的報文，幀的數(shù)據(jù)格式為：同步字、起始字、源地址、目的地址、控制字、數(shù)據(jù)塊、校驗碼、結(jié)束字?？刂谱职畲a和數(shù)據(jù)塊長度。其長度為一個字節(jié)，高四位為命令碼（0：數(shù)據(jù)塊發(fā)送，1：數(shù)據(jù)塊接收。3：數(shù)據(jù)傳送正確。4：數(shù)據(jù)傳送錯誤）；低四位為數(shù)據(jù)塊長度，當命令為數(shù)據(jù)發(fā)送或數(shù)據(jù)接收時，給出數(shù)據(jù)塊的長度。數(shù)據(jù)塊的長度為1至16個字節(jié)。

　　作為一種新型的半導體傳感器，電流傳感器（MRCS）與霍爾電流傳感器相比，具有新的特性和優(yōu)點。本文設(shè)計的電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了具有數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)功能和具有與電力線連接功能的LM1893，其優(yōu)點在于：（1）無需鋪設(shè)昂貴的電纜系統(tǒng)；（2）不占用無線電頻率資源。該系統(tǒng)設(shè)計思想還可以用于電力監(jiān)控系統(tǒng)和其它工作控制系統(tǒng)的遠動數(shù)據(jù)采集中，實現(xiàn)對電力參數(shù)的監(jiān)控。