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基于电力线载波通信的粮情测控系统

时间:2011-07-30 10:52来源:未知 作者:admin 点击:
朴相范,杨 丹 (延边大学工学院,延吉 133002) 摘 要:介绍一种粮情检测系统,通过电力线载波模块实现粮情测控系统检测分机和检测中心PC机的电力线载波通信。系统还可兼容便携式检测仪使用,是电力线通信方式的有益的必要的补充。因此,本系统不仅具有可靠的

朴相范,杨 丹
(延边大学工学院,延吉 133002)

摘 要:介绍一种粮情检测系统,通过电力线载波模块实现粮情测控系统检测分机和检测中心PC机的电力线载波通信。系统还可兼容便携式检测仪使用,是电力线通信方式的有益的必要的补充。因此,本系统不仅具有可靠的通信方式,而且施工简单、操作方便实用,有利于国家粮库的安全储粮。
关键词:电力线载波通信;粮情测控;检测分机

目前在国内外面临的粮食危机、经济危机的形势下,2008年国家开始中央储备粮食收购计划。在东北地区许多地方都增加了政策性粮食收购库点。从而,为了保证粮库的储量安全,延缓粮食的陈化,粮库都应配备粮情测控系统,以保证顺利完成国家的储量计划。国内大部分国家粮库基本都已应用了计算机粮情测控系统。目前,国内粮情测控方式有3种,便携式巡检仪式、无线传输系统式和现场总线式3种。其中,无线通信便于施工,布线简单,但是稳定性差,易受干扰;有线通信则需要挖电缆沟,铺设数据传输电缆,因此存在造价高、施工难、维护难等缺点[1],而便携式虽然使用方便简单,但是浪费人力和时间。
介绍的基于电力线载波通信的粮情测控系统。首先,由于电力线载波通信技术使用低压电力线作为传输媒介[2],具有无需架设专门的通信线路,施工方便,综合成本低的优点。其次,本设计为微机自动检温系统和便携式智能粮食温度检测系统兼容,当电力线出现断电或微机故障时,可以利用便携式智能粮食温度检测系统进行温度检测。该便携式温度检测仪具有体积小、成本低、检测精度高、稳定性高、工作温度范围宽、操作方便等特点[3]。

1 系统组成
系统主要由温度数据采集与发送部分和数据接收及处理两部分组成,前者由测温电缆、采集器、检测风机驱动电路、检测分机组成,后者由电力线MODEM、检测中心PC机及打印机等外部设备组成。其中,采集器中的温度传感器采用282C型热敏电阻传感器,每1个采集器可接32个传感器,1台检测分机最多可驱动16个采集器。检测分机的风机驱动电路是当温度超出告警温度时,便检测分机启动通风设备。每个粮仓安装1个检测分机,并且可以根据房式仓数增设多个检测分机,而不会影响其他检测分机的数据发送和接收端的数据接收,检测分机之间相互独立。接收端的微型计算机主要进行温度数据存储、分析、管理,检测主机根据计算机给出的检测命令通过调制解调器向各检测分机按顺序发出各种命令,同时接收各分机发送的温度数据传给计算机。检测分机和与检测中心PC机之间的数据通信用电力线进行传送。当电力线或微机出现故障时,便可用便携式检测仪,半手工方式把数据传输给检测中心的PC机,也可直接连接打印机打印数据。图1为系统的组成框图。
检测分机硬件组成框图(如图2所示)。检测分机由AT89C52单片机、电力线MODEM模块、信号调理电路、电源等组成。传感器信号调理电路由直流电桥、线性放大电路、低通滤波电路、非线性补偿电路、量程调节电路等组成。

2 电力线MODEM模块的设计
本论文的模块设计采用电力线载波芯片ST7540,基于该芯片的电力线载波模块的硬件结构主要由以下几部分组成:电源电路、电力线耦合滤波电路、电力线载波芯片、单片机和串行接口电路。模块组成框图如图3所示。
2.1 电力线载波芯片ST7540与单片机接口
ST7540是SGS-THOMSON公司继ST7537和ST7538芯片后推出的又一种半双工、同步/异步FSK电力线调制解调专用芯片,它集成了一个电力线驱动器和5V和3.3V的线性稳压器。芯片内部有一个48位可编程控制寄存器,可以对同步串行接口进行编程。该芯片还具有看门狗、时钟输出、超时溢出、电压和电流控制、载波检测等功能外,还有8个可编程的载波频率,最高传输速率可达到4800bps。带8位或16位的报头检测,具有UART/SPI接口[4-5]。
芯片与单片机的通信接口的管脚有RxD、TxD、RxTx、REG_DATA。RxD输出从电力线上接收到的数据;TxD向电力线输入发送数据;RxTx用于接收/发送模式选择;REG_DATA是单片机对控制寄存器读写选择。UART/SPI设置为“1”,接口为UART的异步通信。当RxTx=“0”及REG_DATA=“0”时,ST7540处于数据发送状态。在数据发送状态,芯片内部的FSK调制器及接口电路处于工作状态,传输的数据可采用同步或异步两种方式送入FSK调制器。当RxTx=“1”及REG_DATA=“0”时,ST7540处于数据接收状态。当RxTx=“0”,REG_DATA=“1”时。ST7540在CLR/T上升沿采样TXD,并将TXD上的数据下载到控制寄存器中的最高位。控制寄存器内容将在REG_DATA下降沿时更新。通过对寄存器bit0~bit2的设置为默认载波频率为为32.5KHz;bit3~bit4设置波特率,ST7540有600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s四种可以设置的传输速率,本系统设置为600bit/s,以提高传输的可靠性;设置电力线接口方式为bit14=1的异步方式。
2.2 耦合滤波电路
芯片内有一个功率放大电路,为了保证系统的可以达到较远的通信距离,还需要扩展外接耦合滤波电路。电路包括3个部分:耦合电路,主要是隔离交流信号、保护后级电路;发送滤波电路,包括滤波电路、电压反馈控制电路、电压放大电路和功率放大电路,为了滤掉芯片发送的信号中的谐波,同时保证信号发送端有足够大的功率传输,让信号以较高的信噪比耦合到电力线上,另一方面为了满足电压放大电路和功率放大电路得到合适的工作电压,因此增加了电压反馈控制电路;接收滤波电路,包括滤波电路和电压放大电路,为了滤掉载波芯片设置的频率以外的信号和噪声和放大接收信号,本系统采用的是芯片默认的32.5KHz,因此接收滤波电路的中心频率也为32.5KHz。本系统采用了RS232串行接口,便于与上层计算机通信。

3 电力线MODEM模块的应用
只需把电力线MODEM模块各自连接在电力线的两端,系统的检测中心PC机和检测分机便可以通过电力线进行数据交换。可以用于220V/110V,50/60Hz的电力线局域环境下。系统主要由电力线MODEM及与检测中心PC机,电力线MODEM及与其连接的检测分机,以及粮库内的各个采集器组成。图4所示是检测主机和电力线MODEM与多个接在不同相位的检测分机和电力线MODEM的连接示意图。在这个结构中,左边的粮情检测系统控制中心的PC机可以通过检测分机和电力线MODEM,与连接在电力线上任何一相的检测分机通信,通信方式为半双工方式。而电力线MODEM与对应的用户设备相连的为RS232。当检测分机要把实时检测的数据传输给测控中心PC机时,首先电力线MODEM发送检测分机所检测到的实时数据调制到载波上,再把载波耦合到电力线上,之后电力线把带有载波的数据传输到电力线的另一端,最后电力线MODEM经过载波解调把数据还原,然后通过RS232串口把数据传送到检测中心的PC机上。由于电力线MODEM的载波信号是经过耦合变压器耦合到电力线上的,而且电力线MODEM之间的通讯对用户而言是透明的,所以多个电力线MODEM可以同时连接在电力线上通信而不会互相干扰。
4 软件设计与通讯协议
检测分机的单片机的软件用汇编语言编写,采用模块化与结构化设计方法。上层PC机软件采用Lab VIEW编程,进行实时监控。检测分机与电力线载波的数据通信部分、键盘接口部分、LCD显示部分、存储及管理数据部分、作为便携式输出数据及打印部分。
电力线MODEM模块的波特率设置为600bit/s,电力载波频率默认为37.5KHz,采用带奇偶校验的数据块传输方式。每个检测分机有自己的编号(地址),当检测中心PC机给每个检测分机地址单独发送检测信号时,检测分机接收到信号后,检测分机通过采集器测量数据后,给主机发送数据包,每个数据包的大小为1KB;数据包之间延时1ms,当数据包全部发送后,发送一位结束位给主机,传输完毕。当检测中心PC机在局域网内广播形式发送检测信号时,每个检测分机都根据各自的相应测量数据,之后按照每个检测分机的地址从小到大依次发送数据。
5 结束语
电力线载波通信随着时间的推移,必将成为各种现场通信设备的最佳方案之一。本系统利用了同类芯片中最适合我国电力系统的电力线载波通信芯片ST7540,设计了电力线MODEM模块,并将其电力载波通信应用于粮情测控系统中,它可以在噪声频带很宽的信道环境下实现可靠通信。通过野外实地实验,在电力线载波传输速率设为600bit/s,通信距离为500m;当电力线质量较好,电力线感性负载较少等综合优势因素下,通信距离最高可达到1km。而且,本系统具有自动、半自动两种检测方式,有利于粮食系统的检测,从而有利于我国储量大计的发展。

参考文献
[1] 李善姬,朴相范,金弘哲.粮食温度无线检测系统设计[J].微计算机信息,2005(21).
[2] 齐淑清.电力线通信(PLC)技术与应用[M].中国电力出版社,2005.
[3] 朴相范,金明花.便携式智能粮食温度检测系统[J].粮食流通技术,2008(3):31~33.
[4] 王作东.新型FSK电力线收发器ST7540及其应用 [J].现代电子技术,2006(3):56~61.
[5] 杨福财,饶运涛,王进宏.基于ST7540的电力线载波通信模块的设计[J].电子元器件应用,2008 (3):8~12.

(责任编辑:lsgy100)
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