基于電力線載波技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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費(fèi)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，電力線載波通用采用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。
1．1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(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能電導(dǎo)線周期的磁場轉(zhuǎn)換成為之對(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)旋轉(zhuǎn)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ΔB。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關(guān)系的特性曲線。從圖中可以看出，當(dāng)電流為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。
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，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腳用于外部放大管的射級(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)據(jù)移頻鍵控制器；
（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。
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)在具體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(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(hào)的發(fā)送功率放大。通過T的功率放大，載波信號(hào)的輸出功率能夠提高近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ADC0892，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?qǐng)D5所示的系統(tǒng)軟件流程圖編碼，便可實(shí)現(xiàn)由流數(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。
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)和其它工作控制系統(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。
評(píng)論