|
摘要：介绍了一种哄骗半导体磁阻式电撒播感器（MRCS）和LM1893芯片实现的远程电流数据收集系统。
系统硬件主要由AT89C2051单片机主控电路、串行ADC0832模/数转换电路、LM1893电力线载波发送电路等三部门组成；软件以MCS-51汇编语言编制，并给出了软件设计的流程图。由于收集了电力线载波技术，该系统可用于远距离旌旗灯号的丈量和传输，具有较高的实用价值。
关头词：电撒播感器电力线载波技术数据收集
在现代生产进程的检测和控制中，电流参数的收集是普遍重要的项目。在一些数据收集系统中，丈量现场距离较远且情况恶劣，计较机主控系统与丈量装配、传感器远离。传统的方式是采用长距离的电费系统或经由过程无线电传输，但其成本较高或占用无线电频率资本。电力线载波技术很好地解决了这些问题。它只需哄骗现有的电力线就能靠得住地传输数据。为实现远程数据收集和传输提供了极年夜的便当。
随着半导体传感器技术和通讯技术的成长，使得实现低成本、高精度、高靠得住性的电流数据收集，以电力线载波方式进行远程传输成为可能。在本系统中，电流数据收集用半导体磁阻式电撒播感器（MRCS），单片机采用AT89C2051，电力线载波通用采用LM1893芯片。由于哄骗了电力线载波技术，数据远程收集不需要重新布线而是使用现成的电力线，下降了系统实现的成本和复杂性。是以这类系统在运用领域长短常实用的。
1系统硬件组成及工作原理
1．1电撒播感器
哄骗锑化铟-铟（InSb-In）磁阻元件（MR）制成电撒播感器（MRCS），这是一种基于磁阻效应的半导体传感器。它在保留霍尔电撒播感器优良特征的同时，又具有结构简单、活络度高、体积小、线性度优良等优点。它的工作原理就是将能电导线周期的磁场转换成为之对应的电压旌旗灯号，其特点是能很好地对微弱电流旌旗灯号进行非接触式检测。其结构如图1所示，主要由导线、尽缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、磁铁、五个引脚组成。其中，MR1和MR2是相对旋转的一对磁阻元件，两者阻值相等。垂直放置于基片下的磁铁为MR1和MR2提供偏置磁场B，可以提高MRCS检测的活络度。待测电流流经的导线置于MR1和MR2对称轴的位置。当电流流过4、5引脚时，导线周围发生空间磁场，其磁感应强度为ΔB。这个空间磁场划分穿过MR1、MR2时，在某个瞬间标的目的相反，所以这个磁场与MRCS内部磁铁的偏置磁场B相叠加而发生的效果是使MR1和MR2的阻值一个增年夜，一个减小。凭据欧姆定律，这类一增一减会使旌旗灯号输出端2的电压变化幅度更年夜。依据这类电压变化，MRCS就能够检测、收集到电流旌旗灯号。
由于电撒播感器输出为电压旌旗灯号，所以需要A/D转换器将输出电压转化为数字旌旗灯号，以便单片机进行处置。图2所示是输出电压与待测关系的特征曲线。从图中可以看出，当电流为10～100mA之间变化时，输出电压由0.5V呈线性增年夜到4.5V，这说明电撒播感器的输出具有优秀的线性度。
1．2LM1893
LM1893是美国国家半导体公司生产的电力线调制解调芯片，可实现串行数据的半双工通讯，具有发送和接收数据的全数功能。采用18脚双列直插式，其引脚图如图3所示。它的主要引脚为：5脚（发送接收控制端）、10脚（载波旌旗灯号的收发端）、12脚（解调数据输出端）和17脚（调制数据输进端）。它由发送电路和接收电路两部门组成。芯片的工作状态由5脚控制。当为高电日常平凡，芯片处于发送状态；反之，则处于接收状态。发送电路部门由FSK调制器、电流控制振荡器、正弦波形成器、输出放年夜器和自动电平控制电路（ALC）组成。单片机将数据从17脚输进，由此输进的数据经FSK调制后形成开关控制电流，驱动电流控制振荡器发生三角，再由正弦波形成器形成已调正弦波旌旗灯号，由输出放年夜器放年夜后，送10脚输出到电力线上。ALC则用以控制输出旌旗灯号的幅值。18脚为外接电阻端，用以调理载波频率。经由过程调理5kΩ的可调电阻，LM1893的中心频率可以在50～300kHz的范围内选择。8、9脚用于外部放年夜管的射级和基极以提多发射功率。接收电路部门则由限幅放年夜器、锁相环解调器、RC滤波器、直流偏置消除电路和脉冲噪声滤波电路组成。载波旌旗灯号由10脚输进，经限幅放年夜器放年夜后，送锁相环解调器（PLL）解调，解调输出经由过程RC滤波器、直流偏置消除电路滤失落直流旌旗灯号和高频旌旗灯号，后经脉冲噪声滤波电路滤除旌旗灯号中的脉冲干扰，从12脚输出解调后的数据旌旗灯号。
LM1893的主要技术参数为：
（1）采用抗噪声的FSK数据移频键控制器；
（2）数据传输速度高达4.8kbps；
（3）载波频率可在50～300kHz之间选择；
（4）输出功率可以在1～200倍的范围内自由调理；
（5）与TTL、CMOS电平兼容；
（6）适合现有的各类电力线路。
1．3系统硬件设计原理
如图4所示，整个系统主要由数据收集单元、单片机主控单元和电力线载波发送电路三部门组成。
在控制电路单元，用单片机实现对电流旌旗灯号的收集和对电力线载波数据发送功能的控制。它使整个数据收集系统成为一个智能化的有机整体。单片机采用ATMEL的AT89C2051，它包括2KB内存、128B的内存、15根I/O口线、两个按时计数器和一个全双工的串行口。在设计中，用到了AT89C2051的T1按时器和串行口和P1端口线。由于该单片机与MCS-51相兼容，是以在硬件电路设计和软件编程方面加倍利便。
数据收集单元主要由MRCS传感器和ADC0832组成。ADC0832是带有串行输进输出功能的8位逐次迫近式模/数转换器，其转换时间为80μs。它的两个模拟量输进通道是可编程的，可以由串行输进口DI的三位控制字指定通道，并选择单端输进和差分输进两种工作方式。MRCS将电流旌旗灯号以电压信的形式提供给ADC0832。选择ADC0832的CH1为单端输进工作方式，CH0为不工作。DI端输进的控制字为“111”，可将DI固定接高电平。当单片机的P1.2口将ADC0832的CS脚置低电日常平凡，在CLK的前三个脉冲上升沿，从DI端输进控制字“111”，在接下来的八个脉冲完成转换进程。依照逐次迫近式的机理，依先高位后低位的顺序，转换一位，存储一位。并在下降沿由DO端输出一位；在后续七个脉冲的下降沿又将存储好的转换成效依照先低位后高位的顺序从DO端输出。是以，一次完整的模/数转换进程完成，转换后的八位数据就从P1.0口读进到单片机中。
从现实运用角度动身，系统在具体收集处置功能的根蒂根基上，必需要有通讯接口，具有远程传输功能。实现电力线载波通讯的关头问题是若何凭据电力线的特征选择合适的MODEM芯片及设计靠得住的接口电路。由于电力线上的用电装备种类繁多，对载波旌旗灯号传输进程所发生的干扰年夜部门是低频调幅性干扰，所以电力MODEM芯片的调制方式应当采用抗脉冲干扰强的调频方式，同时应适当提升载波旌旗灯号功率以加年夜传输距离。在本系统中选择FSK制式的LM1893。
电力线载波发送电路主要由LM1893和电力线接口（PLI）组成。AT89C2051经由过程串行口与LM1893通讯，通讯采用尺度异步通讯方式，并经由过程控制LM1893的收发状态完成数据传输。选用按时器1作为波特率发生器，串行口采用波特率可变工作方式1。该方式为尺度异步通讯，其通讯花式为每帧10位。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5脚TX/RX，决议数据是发送仍是接收。当为高电日常平凡，LM1893处于发送状态。AT89C2051的串行输出口TXD与LM1893调制解调数据输进端17脚毗连，由单片机收集的数据就从LM1893的17脚送进，经过FSK调制成150kHz的FSK载波旌旗灯号，送10脚输出载波旌旗灯号。在与电力线的接口电路中，使用年夜功率齐纳管和电阻组成限幅电路，起庇护作用。它能避免系统遭到诸如强雷电脉冲等瞬时过电压的干扰。而二极管T和变压器TN则组成调谐功率放年夜电路。在这里，变压器既耦合了载波旌旗灯号，又使通讯电路完全地隔离电力网工频旌旗灯号。载波旌旗灯号的发送则经过耦合变压器与电力线相连。三极管T则用于载波旌旗灯号的发送功率放年夜。经由过程T的功率放年夜，载波旌旗灯号的输出功率能够提高近10倍。
2系统的软件设计
在本系统中，软件采用模块化结构设计，用MCS-51汇编语言编写。由于采用模块化技术，使系统法式加倍简洁，占用内存容量少。
系统软件主要包括以下法式：
（1）初始化法式，主要完成以下工作：初始化MCU、初始化LM1893、初始化串行口；
（2）模/数转换子法式，主要完成以下工作：ADC0832复位、控制字移进ADC0892，启动模/数转换、按先高位后低位接收数据、按先低位后高位接收数据；
（3）载波发送子法式，主要完成以下工作：设置串行口的工作方式、启动串行口的发送。
依照图5所示的系统软件流程图编码，即可实现由流数据的收集和远程传送，在远真个计较机主控系统就能够接收数据，并进行分析、处置和显示。
为了保证电力线通讯的顺遂进行，本系统采用的通讯协议遵照《地域电网数据收集与监控系统通用技术条件》，而且参照了X-10协议。在电力线载波通讯的进程中，由于通讯方式为半双工方式，所以一定要有包括控制机制的传输协议，以确保数据的靠得住传输。每次通讯为一个固定帧长的报文，帧的数据花式为：同步字、肇端字、源地址、目的地址、控制字、数据块、校验码、竣事字。控制字包括饬令码和数据块长度。其长度为一个字节，高四位为饬令码（0：数据块发送，1：数据块接收。3：数据传送准确。4：数据传送毛病）；低四位为数据块长度，当饬令为数据发送或数据接收时，给出数据块的长度。数据块的长度为1至16个字节。
作为一种新型的半导体传感器，电撒播感器（MRCS）与霍尔电撒播感器相比，具有新的特征和优点。本文设计的电流数据收集系统采用了具有数据调制解调功能和具有与电力线毗连功能的LM1893，其优点在于：（1）无需展设昂贵的电缆系统；（2）不占用无线电频率资本。该系统设计思想还可以用于电力监控系统和其它工作控制系统的远动数据收集中，实现对电力参数的监控。
|