摘 要: 介紹了一種基于PLC（電力線通信）的傳感器信號遙測系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件主要由16位AD7715模數(shù)轉換電路、51單片機內核、RISE3401電力線通信芯片組成。軟件以MCS-51匯編語言編制，并給出了軟件設計的流程圖。
關鍵詞: 傳感器；電力線通信；RIES3401
在現(xiàn)代生產過程的檢測和控制中, 傳感器信號的采集是最普遍最重要的項目之一。在一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，測量現(xiàn)場環(huán)境惡劣，計算機主控系統(tǒng)與測量裝置和傳感器相距甚遠。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法是采用長距離的電纜系統(tǒng)或通過無線電傳輸。采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式組建測控網(wǎng)絡，會占用無線電頻率資源，而紅外線的傳輸方式，不能穿越墻體，無法實現(xiàn)各個設備終端的互聯(lián)和全部設備的集中測控。如采用電力線通信技術PLC（Power Line Communication)把電力線作為測控通信的物理平臺，采用信息流和能源流共用技術即可解決采用其他方法存在的問題。
隨著半導體傳感器技術和通信技術的發(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而設計的傳感器信號傳輸系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，模數(shù)轉換單元采用新型16位模數(shù)轉換芯片AD7715，單片機采用51單片機內核，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，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)的成本和復雜性。
1 系統(tǒng)結構設計
基于電力線通信技術的傳感器信號遙測系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。傳感器采集信號經(jīng)過A/D轉換將模擬信號轉換為數(shù)字信號，對轉換后的信號采用BPSK調制技術進行調制，調制后經(jīng)過載波發(fā)送電路把信號耦合到低壓電力線網(wǎng)絡，經(jīng)過低壓電網(wǎng)傳輸?shù)街付ń邮斩?，再通過解調、信號耦合電路，載波接收電路把信號分離出來。
2 硬件設計
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)轉換，然后經(jīng)過電力線載波芯片進行調制，再耦合到電力線上進行傳輸。AD7715是美國ADI公司生產的16位模數(shù)轉換器，它具有0.0015％的非線性、片內可編程增益放大器、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。在我國使用最普遍的是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位結果分兩次讀出，每次8位。當采用60 Hz或60 Hz以下的更新速度進行采樣時，AD7715對50 Hz的工頻有抑制作用，采樣的效果很好，但當更新速度大于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，2.5 V以下的信號選擇放大倍數(shù)為1，1.25 V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?，選擇了放大倍數(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 1.34 Vpp，經(jīng)后續(xù)放大電路后，TX_OUT輸出電平在空載情況下有 15 Vpp輸出；增加負載至12 Ω時，輸出電平達到12 Vpp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0.22 μF/275 V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 軟件設計
發(fā)送主程序流程圖如圖6所示；接收主程序流程圖如圖7所示。
該遙測系統(tǒng)具有結構簡單小巧，實時性強，可靠性高及抗干擾能力較強等特點。作為一種遠距離傳感器數(shù)據(jù)采集監(jiān)測裝置，其通信可靠，不占用無線電頻率資源，無需鋪設電纜系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計已經(jīng)通過測試應用，實際使用效果良好。
參考文獻
[1] 孫海，孟祥，鄧學偉.AD7715模數(shù)轉換器在小信號測量中的應用[J]. 測控技術，2003（9）：66-68.
[2] 丁明芳.電感（L）、電容（C）回路及應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1994：33-35.
[3] 徐武安.電感器件設計與計算[M].四川：四川科學技術出版社，1984:45-65.
[4] LIU Hua Ling, ZHANG Bao Hui. The couple technology of distribution high-speed carrier communication [J]. Power System Communication, 2002(2):1312-1315.