基于電力線載波技術的遠程電流數據采集系統(tǒng)的設計

摘　要：介紹了一種利用半導體磁阻式電流傳感器(MRCS)和LM1893芯片實現的遠程電流數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要由AT89C2051單片機主控電路、串行ADC0832模/數轉換電路、LM1893電力線載波發(fā)送電路等三部分組成;軟件以MCS-51匯編語言編制,并給出了軟件設計的流程圖。由于采用了電力線載波技術,該系統(tǒng)可用于遠距離信號的測量和傳輸,具有較高的實用價值。
 
關鍵詞：電流傳感器 電力線載波技術 數據采集

在現代生產過程的檢測和控制中,電流參數的采集是最普遍最重要的項目之一。在一些數據采集系統(tǒng)中,測量現場距離較遠且環(huán)境惡劣,計算機主控系統(tǒng)與測量裝置、傳感器遠離。傳統(tǒng)的方法是采用長距離的電纜系統(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。電力線載波技術很好地解決了這些問題。它只需利用現有的電力線就能可靠地傳輸數據,為實現遠程數據采集和傳輸提供了極大的便利。

隨著半導體傳感器技術和通信技術的發(fā)展,使得實現低成本、高精度、高可靠性的電流數據采集,以電力線載波方式進行遠程傳輸成為可能。在本系統(tǒng)中,電流數據采集采用半導體磁阻式電流傳感器(MRCS),單片機采用AT89C2051,電力線載波通信采用LM1893芯片。由于利用了電力線載波技術,數據遠程采集不需要重新布線而是使用現成的電力線,降低了系統(tǒng)實現的成本和復雜性。因此這種系統(tǒng)在應用領域是非常實用的。

1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

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)[1],這是一種基于磁阻效應的半導體傳感器。它在保留霍爾電流傳感器優(yōu)良特性的同時,又具有結構簡單、靈敏度高、體積小、線性度優(yōu)良等優(yōu)點。它的工作原理就是將通電導線周圍的磁場轉換成與之對應的電壓信號,其特點是能很好地對微弱電流信號進行非接觸式檢測。其結構如圖1所示,主要由導線、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永久磁鐵、五個引腳組成。其中,MR1和MR2是相對放置的一對磁阻元件,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MRCS檢測的靈敏度。待測電流流經的導線置于MR1和MR2對稱軸的位置。當電流流過4、5引腳時,導線周圍產生空間磁場,其磁感應強度為△B。這個空間磁場分別穿過MR1、MR2時,在某個瞬間方向相反,所以這個磁場與MRCS內部永久磁鐵的偏置磁場B相疊加而產生的效果是使MR1和MR2的阻值一個增大,一個減小。根據歐姆定律,這種一增一減會使信號輸出端2的電壓變化幅度更大。依據這種電壓變化,MRCS就能夠檢測、采集到電流信號。

由于電流傳感器輸出為電壓信號,所以需要A/D轉換器將輸出電壓轉化為數字信號,以便單片機進行處理。圖2所示是輸出電壓與待測電流關系的特性曲線。從圖中可以看出,當電流在10～100mA之間變化時,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。

1.2 LM1893

LM1893是美國國家半導體公司生產的電力線調制解調芯片,可實現串行數據的半雙工通信,具有發(fā)送和接收數據的全部功能。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(載波信號的收發(fā)端)、12腳(解調數據輸出端)和17腳(調制數據輸入端)。它由發(fā)送電路和接收電路兩部分構成。芯片的工作狀態(tài)由5腳控制。當為高電平時,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調制器、電流控制振蕩器、正弦波形成器、輸出放大器和自動電平控制電路(ALC)構成。單片機將數據從17腳輸入,由此輸入的數據經FSK調制后形成開關控制電流,驅動電流控制振蕩器產生三角波,再由正弦波形成器形成已調正弦波信號,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的幅值。18腳為外接電阻端,用以調節(jié)載波頻率。通過調節(jié)5kΩ的可調電阻,LM1893的中心頻率可以在50～300kHz的范圍內選擇。8、9腳用于外接放大管的射級和基極以提高發(fā)射功率。接收電路部分則由限幅放大器、鎖相環(huán)解調器、RC濾波器、直流偏置消除電路和脈沖噪聲濾波電路構成。載波信號由10腳輸入,經限幅放大器放大后,送鎖相環(huán)解調器(PLL)解調,解調輸出通過RC濾波器、直流偏置消除電路濾掉直流信號和高頻信號,最后經脈沖噪聲濾波電路濾除信號中的脈沖干擾,從12腳輸出解調后的數據信號。

LM1893的主要技術參數為:
(1) 采用抗噪聲的FSK數字移頻鍵控調制;
(2) 數據傳輸速率高達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倍的范圍內自由調節(jié);
(5) 與TTL、CMOS電平兼容;
(6) 適合現有的各種電力線路。

 

1.3 系統(tǒng)硬件設計原理

如圖4所示,整個系統(tǒng)主要由數據采集單元、單片機主控單元和電力線載波發(fā)送電路三部分組成。
 
在控制電路單元,用單片機實現對電流信號的采集和對電力線載波數據發(fā)送功能的控制。它使整個數據采集系統(tǒng)成為一個智能化的有機整體。單片機采用ATMEL的AT89C2051,它包含2KB閃存、128B的內存、15根I/O口線、兩個定時計數器和一個全雙工的串行口。在設計中,用到了AT89C2051的T1定時器和串行口以及P1端口線。由于該單片機與MCS-51相兼容,因此在硬件電路設計和軟件編程方面更加方便。

數據采集單元主要由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/數轉換器,其轉換時間為80μs。它的兩個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將電流信號以電壓信號的形式提供給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。當單片機的P1.2口將ADC0832 的CS腳置低電平時,在CLK的前三個脈沖上升沿,從DI端輸入控制字 “111”,在接下來的八個脈沖完成轉換過程。按照逐次逼近式的機理,依先高位后低位的順序,轉換一位,存儲一位。并在下降沿由DO端輸出一位;在后續(xù)七個脈沖的下降沿又將存儲好的轉換結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/數轉換過程完成,轉換后的八位數據就從P1.0口讀入到單片機中。從實際應用角度出發(fā),系統(tǒng)在具備采集處理功能的基礎上,必須要有通信接口,具備遠程傳輸功能。實現電力線載波通信的關鍵問題是如何根據電力線的特性選擇合適的MODEM芯片及設計可靠的接口電路。因為電力線上的用電設備種類繁多,對載波信號傳輸過程所產生的干擾大部分是低頻調幅性干擾,所以電力MODEM芯片的調制方式應該采用抗脈沖干擾強的調頻方式,同時應適當提升載波信號功率以加大傳輸距離。在本系統(tǒng)中選擇了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,通信采用標準異步通信方式,并通過控制LM1893的收發(fā)狀態(tài)完成數據傳輸。選用定時器1作為波特率發(fā)生器,串行口采用波特率可變的工作方式1。該方式為標準異步通信,其通信格式為每幀10位。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5腳TX/RX,決定數據是發(fā)送還是接收。當為高電平時,LM1893處于發(fā)送狀態(tài)。AT89C2051的串行輸出口TXD與LM1893調制解調數據輸入端17腳連接,由單片機采集的數據就從LM1893的17腳送入,經過FSK調制成150kHz的FSK載波信號,送10腳輸出載波信號。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,起保護作用。它能避免系統(tǒng)受到諸如強雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾。而三極管T和變壓器TN則組成調諧功率放大電路。在這里,變壓器既耦合了載波信號,又使通信電路完全地隔離電力網工頻信號。載波信號的發(fā)送則通過耦合變壓器與電力線相連。三極管T則用于載波信號的發(fā)送功率放大。通過T的功率放大,載波信號的輸出功率能提高近10倍。

2 系統(tǒng)的軟件設計
 
在本系統(tǒng)中,軟件采用模塊化結構設計,用MCS-51匯編語言編寫。由于采用模塊化技術,使系統(tǒng)程序更加簡潔,占用內存容量少。

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/數轉換子程序,主要完成以下工作:ADC0832復位、控制字移入ADC0832,啟動模/數轉換、按先高位后低位接收數據、按先低位后高位接收數據;
(3)載波發(fā)送子程序,主要完成以下工作:設置串行口的工作方式、啟動串行口的發(fā)送。

按照圖5所示的系統(tǒng)軟件流程圖編程,便可實現電流數據的采集和遠程傳送,在遠端的計算機主控系統(tǒng)就可以接收數據,并進行分析、處理和顯示。

為了保證電力線通訊的順利進行,本系統(tǒng)采用的通信協(xié)議遵守《地區(qū)電網數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)通用技術條件》,并且參照了X-10協(xié)議。在電力線載波通信的過程中,因為通信方式為半雙工方式,所以一定要有包含控制機制的傳輸協(xié)議,以確保數據的可靠傳輸。每一次通信為一個固定幀長的報文,幀的數據格式為:同步字、起始字、源地址、目的地址、控制字、數據塊、校驗碼、結束字?？刂谱职畲a和數據塊長度。其長度為一個字節(jié),高四位為命令碼(0:數據塊發(fā)送,1:數據塊接收。 3:數據傳送正確。4:數據傳送錯誤。);低四位為數據塊長度,當命令為數據發(fā)送或數據接收時,給出數據塊的長度。數據塊的長度為1至16 個字節(jié)。
 
作為一種新型的半導體傳感器,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。本文設計的電流數據采集系統(tǒng)采用了具有數據調制解調功能和具有與電力線連接功能的LM1893,其優(yōu)點在于:(1)無需鋪設昂貴的電纜系統(tǒng);(2)不占用無線電頻率資源。該系統(tǒng)設計思想還可以用于電力監(jiān)控系統(tǒng)和其它工業(yè)控制系統(tǒng)的遠動數據采集中,實現對電力參數的監(jiān)控。

參考文獻
1 黃釗洪.InSb-In共晶體薄膜磁阻式電流傳感器.傳感器技術,2001;20(7):11～13
2 電力線載波通信集成電路LM1893. 電子技術, 1996(8)
3 LM1893/LM2893 Carrier-Current Transceiver. National Semi-conductor Corporation ,1995
4 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,1992 (收稿日期:2004-11-11)