一種基于PLC的傳感器信號遙測系統(tǒng)設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

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隨著社會的進步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來，電子技術(shù)日新月異，計算機的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。傳感器及其相關(guān)電路被用來測量各種不同的物理特性，例如溫度、力、壓力、流量、位置、光強等。這些特性對傳感器起激勵的作用。傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理和處理，以對物理特性提供相應(yīng)的測量。數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ玫奶幚碓O(shè)備，以數(shù)值計算的方式對信號進行采集、變換、估計與識別等加工處理，從而達到提取信息和便于應(yīng)用的目的。

隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使得以電力線通信的方式實現(xiàn)了低成本、高精度、高可靠性的傳感器數(shù)據(jù)采集，使遠程傳輸成為可能。本文將著重介紹基于電力線通信技術(shù)而設(shè)計的傳感器信號傳輸系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用新型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7715,單片機采用51單片機內(nèi)核，電力線通信采用RISE3401電力載波芯片。由于采用了電力線通信技術(shù)，傳感器信號的傳輸無需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(fù)雜性。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于電力線通信技術(shù)的傳感器信號遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器采集信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對轉(zhuǎn)換后的信號采用BPSK調(diào)制技術(shù)進行調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)過載波發(fā)送電路把信號耦合到低壓電力線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過低壓電網(wǎng)傳輸?shù)街付ń邮斩?，再通過解調(diào)、信號耦合電路，載波接收電路把信號分離出來。

2硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由傳感器數(shù)據(jù)采集單元、單片機主控單元和電力線通信發(fā)送、接收電路三部分組成。

2.1傳感器數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換組成，一般來講，傳感器輸出的信號都是模擬信號，若想利用電力線對傳感器的信號進行傳輸，則必須對傳感器輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過電力線載波芯片進行調(diào)制，再耦合到電力線上進行傳輸。AD7715是美國ADI公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有0.0015%的非線性、片內(nèi)可編程增益放大器、差動輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點。AD7715以其優(yōu)良的性能價格比和較高的分辨率，在小信號的采樣中得到很好的應(yīng)用[1].

AD7715可以方便地同具有SPI（串行外圍接口）接口的單片機和微處理器配合使用。在我國使用普遍的是MCS-51系列單片機，本文選用STC89C516RD+單片機。圖2為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖。圖中AD7715的1管腳接MCU的P1.1管腳；AD7715的14管腳DIN為寫到片內(nèi)輸入移位寄存器串行數(shù)據(jù)的串行輸入端，接MCU的P1.2管腳；AD7715的13管腳DOUT為從片內(nèi)輸出移位寄存器中讀出串行數(shù)據(jù)的串行輸出端，接MCU的P1.3管腳；AD7715的12管腳為邏輯輸出DRDY,接MCU的P1.4管腳，當(dāng)DRDY為低電平時表明來自AD7715數(shù)據(jù)寄存器新的輸出字是有效的，當(dāng)完成全部16位的讀操作時，此引腳變成高電平；片選信號直接接地，圖中AD780是2.5V的基準電壓。

采樣時要先寫通信寄存器，然后再寫設(shè)定寄存器，接著查詢DRDY信號，DRDY信號變低后可寫入讀數(shù)據(jù)寄存器命令，如果這時DRDY仍為低電平，可以將本次采樣的16位結(jié)果分兩次讀出，每次8位。當(dāng)采用60Hz或60Hz以下的更新速度進行采樣時，AD7715對50Hz的工頻有抑制作用，采樣的效果很好，但當(dāng)更新速度大于60Hz時，采出碼將出現(xiàn)波動，效果變差，這時可以在讀數(shù)據(jù)時采用滑動平均值數(shù)字濾波，使效果得以改善，即加入所謂的后置濾波器。AD7715內(nèi)置的程控放大器有1、2、32、128四種增益選擇，正常單端情況下，2.5V以下的信號選擇放大倍數(shù)為1,1.25V以下的信號選擇放大倍數(shù)為2,78mV以下的小信號選擇放大倍數(shù)為32,19mV以下的小信號選擇放大倍數(shù)為128.本系統(tǒng)傳輸?shù)氖切⌒盘枺x擇了放大倍數(shù)為128.

2.2單片機主控單元

在控制單元電路里，用單片機實現(xiàn)對傳感器信號的采集和對電力線載波數(shù)據(jù)發(fā)送功能的控制，它使整個傳感器數(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STC89C516RD+,它是STC公司推出的一款性價比很高的單片機。

2.3載波發(fā)送、接收部分

2.3.1載波發(fā)送電路

載波發(fā)送電路如圖3所示，載波發(fā)送電路中，載波模塊工作電平為TX_16V,載波發(fā)送信號控制寄存器由STC89C516RD+配置，USR_DAC芯片引腳輸出電平約為1.34Vpp,經(jīng)后續(xù)放大電路后，TX_OUT輸出電平在空載情況下有15Vpp輸出；增加負載至12Ω時，輸出電平達到12Vpp左右；實際輸出信號大小根據(jù)負載的不同而有所差異。載波信號經(jīng)過放大電路后，通過耦合電路直接被發(fā)送到電力線上。圖3中網(wǎng)絡(luò)標號TX_EN_CTRL、DAC_XDAC_OUT分別與RISE3401引腳14和引腳25連接，TX_OUT為耦合電路入口。TX_EN_CTRL為發(fā)送控制引腳："1"打開外圍的載波發(fā)送電路控制；"0"關(guān)掉外圍的載波發(fā)送電路控制；該引腳輸出控制功能由RISE3401內(nèi)部硬件完成，MCU不需要做任何操作；RISE3401要發(fā)送載波信號時需使用外圍的載波發(fā)送電路，使RISE3401經(jīng)放大的載波信號通過耦合電路入口TX_OUT發(fā)送到電力線上。

2.3.2載波接收電路

載波接收電路如圖4所示。載波接收電路中，載波信號經(jīng)過耦合電路從電力線上分離出來，從TX_OUT進入，通過三階帶通（BPF）濾波器和衰減控制電路進入RISE3401的21引腳接口，該引腳是載波接收信號輸入端。

2.3.3耦合電路

耦合是指兩個或兩個以上的電路元件或電網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。耦合電路就是指參與耦合過程的電路。從電路來說，總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大，驅(qū)動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是耦合。

耦合電路如圖5所示。交流電的輸入端并有一壓敏電阻，用于保護后面的電路[2].在L線串有一個0.22μF/275V聚酯電容，用來隔離50Hz交流電和通過有用的高頻載波信號[3].并有一個1∶1耦合線圈以傳輸有用的載波信號，同時起到隔離高壓作用，讓大部分高壓降在聚酯電容上，使后面的電路不帶高壓以保護人身安全。TVS-8.5V瞬變二極管防止快速沖擊，保護后端電路。

3軟件設(shè)計