一種線型組網(wǎng)的三線制數(shù)據(jù)測量方法

　　0 引言

　　現(xiàn)場測量中，常遇到測點呈線狀分布的情形，例如，輸電線路，輸油管道，河流沿線，城市管網(wǎng)等，這類監(jiān)測數(shù)據(jù)有如下特點：

　?。?）間隔距離各不相同。例如：石油輸送管道的流量壓力，監(jiān)測點可1 km 一個;城市路燈損壞監(jiān)測25 m一個。

　?。?）對傳輸速率要求不高。例如：路燈是否損壞的監(jiān)測，煤礦坑道傾斜度監(jiān)測，可以幾分鐘一次，河流沿線水質(zhì)，溫度信息甚至可以每小時一次。

　　（3）測點物理順序可以作為監(jiān)測點的邏輯次序，只要順序檢測各點的數(shù)據(jù)即可，不要求某個編號的數(shù)據(jù)單獨傳送。

　?。?）測點數(shù)量眾多，例如10 km 長的路燈監(jiān)測點就有400個。

　　對于這些現(xiàn)場常遇到的線狀分布測點，如果采用總線式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以很好的簡化布線形式，所有測點連接到總線上即可。實際上，已經(jīng)有很多這類總線可供選擇，例如，CAN 總線，485 總線，IEEE1394 總線，Profi-bus總線，HART 總線，甚至有自成總線的器件，如數(shù)字溫度傳感器DS18B20.但是這些方案都不是針對上述數(shù)據(jù)特點量身定做的，有的追求高可靠性，有的追求網(wǎng)絡(luò)速度，還存在成本高、協(xié)議復(fù)雜、需要逐個測點編址等問題［3］。所以，本文提出了一種基于單片機構(gòu)成的針對線狀測點的三線制組網(wǎng)方案，它具有自帶電源、協(xié)議簡單、靈活多變等特點，可以極大簡化電路設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

　　1.1 硬件構(gòu)成

　　1.1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

　　三線制測量系統(tǒng)的構(gòu)成圖如圖1所示，由一個主機和若干單元構(gòu)成，三線分別定義為電源、信號、地線。主機能控制單元的供電，由開關(guān)J1 完成，它可以是繼電器的硬觸點，也可以是VDMOS管軟觸點。當(dāng)主機需要采集數(shù)據(jù)時，首先閉合J1，使所有單元上電，然后通過信號線R/T來控制各個單元依次上傳數(shù)據(jù)。其中1，2，…，N代表N 個測量單元。

　　如果需要傳送模擬信號，則要另外增加模擬信號總線，單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.1.2 單元結(jié)構(gòu)

　　單元的內(nèi)部組成，根據(jù)測量參數(shù)不同各有所異，這里給出一個傾角測量的例子，使用傾角傳感器，原理圖如圖2所示。上電測量是自動進(jìn)行的，完成后等待輸入端R接受啟動脈沖，然后進(jìn)入本單元數(shù)據(jù)發(fā)送，這期間本單元與主機是直通的，當(dāng)本單元數(shù)據(jù)傳送完成后，則等待輸入端的結(jié)束脈沖，然后本單元向下單元發(fā)送啟動脈沖，隨后本單元進(jìn)入透傳（或稱傳話筒）模式，相當(dāng)于直通，主機可以跟下個單元進(jìn)行通信，依次類推。

　　在單元示結(jié)構(gòu)意圖中，還增加了2 條模擬信號線，因為傾角傳感器既有數(shù)字量輸出（通過SPI接口）也有模擬量輸出（通過Vf端）。如果想直接采集到單元的模擬量，則增加模擬開關(guān)和模擬信號總線，當(dāng)單元處于工作狀態(tài)時，閉合模擬開關(guān)，把模擬量送到總線上。

　　1.2 工作原理

　　主機啟動一次數(shù)據(jù)采集時，首先閉合開關(guān)J1，總線VCC 得電，所有單元同時上電，單元內(nèi)的單片機開始工作。單元的工作分為待機、工作、透傳3種模式。上電后，所有單元進(jìn)入待機模式，主機先向距離最近的1#單元發(fā)出啟動脈沖，1#單元由“待機”轉(zhuǎn)為“工作”模式，它會啟動傳感器，點亮指示燈L1，表示本單元是活動的，這時，主機可以與1#單元進(jìn)行直接的通信，命令1#單元的進(jìn)行測量并讀取數(shù)據(jù)，完畢后，主機發(fā)送結(jié)束脈沖，命令1#單元結(jié)束活動態(tài)。1#單元在向2#單元發(fā)送啟動脈沖后進(jìn)入透傳模式。于是，收到1#發(fā)出的啟動脈沖，2#單元成為活動單元，點亮指示燈L1，進(jìn)入工作模式。由于1#單元的透傳作用，主機可以直接跟2#單元通信，直到2#單元收到結(jié)束指令后，它啟動下個單元，然后自己變成透傳，這樣依次類推，各個單元逐個變成活動單元，主機總是透過已經(jīng)變成透傳模式的單元，直接與活動單元進(jìn)行通信，獲取數(shù)據(jù)，直到全部單元都完成數(shù)據(jù)采集。

　　因此，在整個三線制網(wǎng)絡(luò)中，只有一個是活動單元，活動單元前面，是完成了數(shù)據(jù)采集變成透傳模式的單元;在活動單元后面，是等待啟動的待機單元。主機能夠直接與活動單元聯(lián)系，使用靈活約定的協(xié)議和速率，是本文提出三線制線狀組網(wǎng)的一大優(yōu)勢。

　　主機與活動單元通信時，可以直接使用單片機的串口通信模式，在數(shù)據(jù)量小的時候，約定使用較低的波特率可以獲得較遠(yuǎn)的傳送距離。用來啟動和停止單元工作的脈沖命令，可以有2種形式：

　?。?）直接使用串行通信來改變單元的工作模式，只要約定主機下發(fā)給單元的串行數(shù)據(jù)命令字即可，例如約定0X55為啟動命令，0XAA為停止命令;（2）使用脈沖寬度控制，只要命令脈沖與通信波特率通信脈沖有明顯區(qū)別不產(chǎn)生混淆就可以，例如波特率使用1 200，啟動和停止脈沖使用寬度為30 ms的低電平。

　　1.3 特點分析

　　總結(jié)上述闡述，本文提出的三線制線狀組網(wǎng)具有如下特點：

　　（1）自帶電源：三線中有一根電源線，所有單元可以直接授電;（2）功耗低：工作過程中，只有一個單元是活動的，處于待機和透傳模式的單元，可以關(guān)閉所轄傳感器的供電，只讓單片機帶電，如果使用MSP433 超低功耗單片機，100個單元的功耗也不會超過1 mA.

　?。?）協(xié)議靈活：主機是通過透傳單元直接與活動單元通信，允許系統(tǒng)搭建者使用自己約定的通信協(xié)議;（4）傳送距離遠(yuǎn)：主機是通過接力與每個單元通信的，只要每個單元之間能有效傳送，多個單元構(gòu)成的整個系統(tǒng)就能正常工作。

　　（5）擴展方便：當(dāng)需要模式量傳送時，只要再增加一條總線，每個單元增加模擬開關(guān)，活動單元把模擬開關(guān)閉合，該單元的模擬量就可以上傳到總線上，送給主機。

　　（6）無需單元編號：主機是順序與各個單元建立聯(lián)系的，所有單元完全一樣，沒有地址編號環(huán)節(jié)，適合批量生產(chǎn)制作。