基于電力線載波技術(shù)的遠(yuǎn)程電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘　要：介紹了一種利用半導(dǎo)體磁阻式電流傳感器(MRCS)和LM1893芯片實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由AT89C2051單片機(jī)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(jì)的流程圖。由于采用了電力線載波技術(shù),該系統(tǒng)可用于遠(yuǎn)距離信號(hào)的測量和傳輸,具有較高的實(shí)用價(jià)值。
 
關(guān)鍵詞：電流傳感器 電力線載波技術(shù) 數(shù)據(jù)采集

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(xiàng)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(yuǎn)且環(huán)境惡劣,計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)與測量裝置、傳感器遠(yuǎn)離。傳統(tǒng)的方法是采用長距離的電纜系統(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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利。

隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,使得實(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸成為可能。在本系統(tǒng)中,電流數(shù)據(jù)采集采用半導(dǎo)體磁阻式電流傳感器(MRCS),單片機(jī)采用AT89C2051,電力線載波通信采用LM1893芯片。由于利用了電力線載波技術(shù),數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)的成本和復(fù)雜性。因此這種系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域是非常實(shí)用的。

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)[1],這是一種基于磁阻效應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器。它在保留霍爾電流傳感器優(yōu)良特性的同時(shí),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(diǎn)。它的工作原理就是將通電導(dǎo)線周圍的磁場轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),其特點(diǎn)是能很好地對(duì)微弱電流信號(hào)進(jìn)行非接觸式檢測。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由導(dǎo)線、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永久磁鐵、五個(gè)引腳組成。其中,MR1和MR2是相對(duì)放置的一對(duì)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M(jìn)RCS檢測的靈敏度。待測電流流經(jīng)的導(dǎo)線置于MR1和MR2對(duì)稱軸的位置。當(dāng)電流流過4、5引腳時(shí),導(dǎo)線周圍產(chǎn)生空間磁場,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為△B。這個(gè)空間磁場分別穿過MR1、MR2時(shí),在某個(gè)瞬間方向相反,所以這個(gè)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(gè)增大,一個(gè)減小。根據(jù)歐姆定律,這種一增一減會(huì)使信號(hào)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(hào)。

由于電流傳感器輸出為電壓信號(hào),所以需要A/D轉(zhuǎn)換器將輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),以便單片機(jī)進(jìn)行處理。圖2所示是輸出電壓與待測電流關(guān)系的特性曲線。從圖中可以看出,當(dāng)電流在10～100mA之間變化時(shí),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。

1.2 LM1893

LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電力線調(diào)制解調(diào)芯片,可實(shí)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(hào)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(dāng)為高電平時(shí),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(dòng)電平控制電路(ALC)構(gòu)成。單片機(jī)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(dòng)電流控制振蕩器產(chǎn)生三角波,再由正弦波形成器形成已調(diào)正弦波信號(hào),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(hào)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腳用于外接放大管的射級(jí)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(hào)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(hào)和高頻信號(hào),最后經(jīng)脈沖噪聲濾波電路濾除信號(hào)中的脈沖干擾,從12腳輸出解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號(hào)。

LM1893的主要技術(shù)參數(shù)為:
(1) 采用抗噪聲的FSK數(shù)字移頻鍵控調(diào)制;
(2) 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)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(jì)原理

如圖4所示,整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、單片機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(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)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ATMEL的AT89C2051,它包含2KB閃存、128B的內(nèi)存、15根I/O口線、兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器和一個(gè)全雙工的串行口。在設(shè)計(jì)中,用到了AT89C2051的T1定時(shí)器和串行口以及P1端口線。由于該單片機(jī)與MCS-51相兼容,因此在硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)間為80μs。它的兩個(gè)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(hào)以電壓信號(hào)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(dāng)單片機(jī)的P1.2口將ADC0832 的CS腳置低電平時(shí),在CLK的前三個(gè)脈沖上升沿,從DI端輸入控制字 “111”,在接下來的八個(gè)脈沖完成轉(zhuǎn)換過程。按照逐次逼近式的機(jī)理,依先高位后低位的順序,轉(zhuǎn)換一位,存儲(chǔ)一位。并在下降沿由DO端輸出一位;在后續(xù)七個(gè)脈沖的下降沿又將存儲(chǔ)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(jī)中。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),系統(tǒng)在具備采集處理功能的基礎(chǔ)上,必須要有通信接口,具備遠(yuǎn)程傳輸功能。實(shí)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(jì)可靠的接口電路。因?yàn)殡娏€上的用電設(shè)備種類繁多,對(duì)載波信號(hào)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(qiáng)的調(diào)頻方式,同時(shí)應(yīng)適當(dāng)提升載波信號(hào)功率以加大傳輸距離。在本系統(tǒng)中選擇了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(biāo)準(zhǔn)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(shí)器1作為波特率發(fā)生器,串行口采用波特率可變的工作方式1。該方式為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)為高電平時(shí),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(jī)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(hào),送10腳輸出載波信號(hào)。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(hù)作用。它能避免系統(tǒng)受到諸如強(qiáng)雷電脈沖等瞬時(shí)過電壓的干擾。而三極管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(hào),又使通信電路完全地隔離電力網(wǎng)工頻信號(hào)。載波信號(hào)的發(fā)送則通過耦合變壓器與電力線相連。三極管T則用于載波信號(hào)的發(fā)送功率放大。通過T的功率放大,載波信號(hào)的輸出功率能提高近10倍。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
 
在本系統(tǒng)中,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(fù)位、控制字移入ADC0832,啟動(dòng)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(dòng)串行口的發(fā)送。

按照圖5所示的系統(tǒng)軟件流程圖編程,便可實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳送,在遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)就可以接收數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析、處理和顯示。

為了保證電力線通訊的順利進(jìn)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?yàn)橥ㄐ欧绞綖榘腚p工方式,所以一定要有包含控制機(jī)制的傳輸協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。每一次通信為一個(gè)固定幀長的報(bào)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(yàn)碼、結(jié)束字。控制字包含命令碼和數(shù)據(jù)塊長度。其長度為一個(gè)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(cuò)誤。);低四位為數(shù)據(jù)塊長度,當(dāng)命令為數(shù)據(jù)發(fā)送或數(shù)據(jù)接收時(shí),給出數(shù)據(jù)塊的長度。數(shù)據(jù)塊的長度為1至16 個(gè)字節(jié)。
 
作為一種新型的半導(dǎo)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(diǎn)。本文設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)思想還可以用于電力監(jiān)控系統(tǒng)和其它工業(yè)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集中,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力參數(shù)的監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)
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