一种基于PLC的传感器信号遥测系统设计

 

　　随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出经过调理和处理，以对物理特性提供相应的测量。数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。

　　随着半导体传感器技术和通信技术的发展，使得以电力线通信的方式实现了低成本、高、高可靠性的传感器数据采集，使远程传输成为可能。本文将着重介绍基于电力线通信技术而设计的传感器信号传输系统。在本系统中，模数转换单元采用新型16位模数转换芯片AD7715,单片机采用51单片机内核，电力线通信采用RISE3401电力载波芯片。由于采用了电力线通信技术，传感器信号的传输无需重新布线而是使用现成的电力线，降低了系统实现的成本和复杂性。

　　1 系统结构设计

　　基于电力线通信技术的传感器信号遥测系统结构框图如图1所示。传感器采集信号经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号，对转换后的信号采用BPSK调制技术进行调制，调制后经过载波发送电路把信号耦合到低压电力线网络，经过低压电网传输到指定接收端，再通过解调、信号耦合电路，载波接收电路把信号分离出来。

 

 

　　2 硬件设计

　　整个系统主要由传感器数据采集单元、单片机主控单元和电力线通信发送、接收电路三部分组成。

　　2.1 传感器数据采集单元

　　数据采集单元主要由传感器和A/D转换组成，一般来讲，传感器输出的信号都是模拟信号，若想利用电力线对传感器的信号进行传输，则必须对传感器输出信号进行模数转换，然后经过电力线载波芯片进行调制，再耦合到电力线上进行传输。AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器，它具有0.0015%的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。AD7715 以其优良的性能价格比和较高的分辨率，在小信号的采样中得到很好的应用[1].

　　AD7715可以方便地同具有SPI（串行外围接口）接口的单片机和微处理器配合使用。在我国使用普遍的是MCS-51系列单片机，本文选用STC89C516RD+单片机。图2为模数转换电路图。图中AD7715的1管脚接MCU的P1.1管脚；AD7715的14管脚DIN为写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端，接MCU的P1.2管脚；AD7715的13管脚DOUT为从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端，接MCU的P1.3管脚；AD7715的12管脚为逻辑输出DRDY,接MCU的P1.4管脚，当DRDY为低电平时表明来自AD7715数据寄存器新的输出字是有效的，当完成全部16位的读操作时，此引脚变成高电平；片选信号直接接地，图中AD780是2.5V的基准电压。

 

 

　　采样时要先写通信寄存器，然后再写设定寄存器，接着查询DRDY信号，DRDY信号变低后可写入读数据寄存器命令，如果这时DRDY仍为低电平，可以将本次采样的16位结果分两次读出，每次8位。当采用60 Hz或60 Hz以下的更新速度进行采样时，AD7715对50 Hz的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。AD7715内置的程控放大器有1、2、32、128 四种增益选择，正常单端情况下，2.5 V以下的信号选择放大倍数为1,1.25 V以下的信号选择放大倍数为2,78mV以下的小信号选择放大倍数为32,19mV以下的小信号选择放大倍数为128.本系统传输的是小信号，选择了放大倍数为128.

　　2.2 单片机主控单元

　　在控制单元电路里，用单片机实现对传感器信号的采集和对电力线载波数据发送功能的控制，它使整个传感器数据采集系统成为一个智能化的有机整体。单片机采用STC89C516RD+,它是STC公司推出的一款性价比很高的单片机。

　　2.3 载波发送、接收部分

　　2.3.1 载波发送电路

　　载波发送电路如图3所示，载波发送电路中，载波模块工作电平为 TX_16V,载波发送信号控制寄存器由STC89C516RD+配置，USR_DAC 芯片引脚输出电平约为 1.34 Vpp,经后续放大电路后，TX_OUT输出电平在空载情况下有 15 Vpp输出；增加负载至12 Ω时，输出电平达到12 Vpp左右；实际输出信号大小根据负载的不同而有所差异。载波信号经过放大电路后，通过耦合电路直接被发送到电力线上。图3中网络标号 TX_EN_CTRL、DAC_XDAC_OUT 分别与RISE3401引脚14和引脚25连接，TX_OUT为耦合电路入口。TX_EN_CTRL为发送控制引脚："1"打开外围的载波发送电路控制；"0"关掉外围的载波发送电路控制；该引脚输出控制功能由RISE3401 内部硬件完成，MCU不需要做任何操作；RISE3401要发送载波信号时需使用外围的载波发送电路，使RISE3401经放大的载波信号通过耦合电路入口TX_OUT发送到电力线上。

 

 

　　2.3.2 载波接收电路

　　载波接收电路如图4所示。载波接收电路中，载波信号经过耦合电路从电力线上分离出来，从TX_OUT 进入，通过三阶带通（BPF）滤波器和衰减控制电路进入 RISE3401的21引脚接口，该引脚是载波接收信号输入端。

 

 

　　2.3.3 耦合电路

　　耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。耦合电路就是指参与耦合过程的电路。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作，这就是耦合。

　　耦合电路如图5所示。交流电的输入端并有一压敏电阻，用于保护后面的电路[2].在L线串有一个0.22 μF/275 V聚酯电容，用来隔离50Hz交流电和通过有用的高频载波信号[3].并有一个1∶1耦合线圈以传输有用的载波信号，同时起到隔离高压作用，让大部分高压降在聚酯电容上，使后面的电路不带高压以保护人身安全。TVS-8.5V瞬变二极管防止快速冲击，保护后端电路。

 

 

　　3 软件设计

　　发送主程序流程图如图6所示；接收主程序流程图如图7所示。

 

　　该遥测系统具有结构简单小巧，实时性强，可靠性高及抗干扰能力较强等特点。作为一种远距离传感器数据采集监测装置，其通信可靠，不占用无线电频率资源，无需铺设电缆系统。该系统设计已经通过测试应用，实际使用效果良好。