一種線型組網(wǎng)的三線制數(shù)據(jù)測量方法 - 全文

　　0 引言

　　現(xiàn)場測量中，常遇到測點(diǎn)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(diǎn)：

　?。?）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(diǎn)可1 km 一個(gè);城市路燈損壞監(jiān)測25 m一個(gè)。

　　（2）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(shí)一次。

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

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

　　對于這些現(xiàn)場常遇到的線狀分布測點(diǎn)，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(diǎn)連接到總線上即可。實(shí)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(diǎn)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(gè)測點(diǎn)編址等問題［3］。所以，本文提出了一種基于單片機(jī)構(gòu)成的針對線狀測點(diǎn)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(diǎn)，可以極大簡化電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　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(gè)主機(jī)和若干單元構(gòu)成，三線分別定義為電源、信號、地線。主機(jī)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(diǎn)，也可以是VDMOS管軟觸點(diǎn)。當(dāng)主機(jī)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)單元依次上傳數(shù)據(jù)。其中1，2，…，N代表N 個(gè)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(gè)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(jī)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(jī)可以跟下個(gè)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?yàn)閮A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(shí)，閉合模擬開關(guān)，把模擬量送到總線上。

　　1.2 工作原理

　　主機(jī)啟動一次數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先閉合開關(guān)J1，總線VCC 得電，所有單元同時(shí)上電，單元內(nèi)的單片機(jī)開始工作。單元的工作分為待機(jī)、工作、透傳3種模式。上電后，所有單元進(jìn)入待機(jī)模式，主機(jī)先向距離最近的1#單元發(fā)出啟動脈沖，1#單元由“待機(jī)”轉(zhuǎn)為“工作”模式，它會啟動傳感器，點(diǎn)亮指示燈L1，表示本單元是活動的，這時(shí)，主機(jī)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(jī)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(diǎn)亮指示燈L1，進(jìn)入工作模式。由于1#單元的透傳作用，主機(jī)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(gè)單元，然后自己變成透傳，這樣依次類推，各個(gè)單元逐個(gè)變成活動單元，主機(jī)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(gè)三線制網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)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(jī)單元。主機(jī)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(jī)與活動單元通信時(shí)，可以直接使用單片機(jī)的串口通信模式，在數(shù)據(jù)量小的時(shí)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)：

　?。?）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(gè)單元是活動的，處于待機(jī)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(jī)帶電，如果使用MSP433 超低功耗單片機(jī)，100個(gè)單元的功耗也不會超過1 mA.

　?。?）協(xié)議靈活：主機(jī)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(jī)是通過接力與每個(gè)單元通信的，只要每個(gè)單元之間能有效傳送，多個(gè)單元構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng)就能正常工作。

　?。?）擴(kuò)展方便：當(dāng)需要模式量傳送時(shí)，只要再增加一條總線，每個(gè)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(jī)。

　　（6）無需單元編號：主機(jī)是順序與各個(gè)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。

　　2 程序編制

　　下面是主機(jī)和單元的程序編制流程與說明。

　　主機(jī)程序流程如下：

　?、偕想姟诘却杉瘯r(shí)間到→③啟動供電開關(guān)J1→④發(fā)出啟動命令→⑤等待單元發(fā)回應(yīng)答→⑥與單元通信完成采集→⑦發(fā)出結(jié)束命令→⑧判斷單元是否全部完成采集→⑨關(guān)閉J1供電→回到②等待下次采集。

　　其中，在⑤如果等不到單元發(fā)回的確認(rèn)，要回到斷開J1 回到③重新開始，如果多次重復(fù)均不成功，要做出錯(cuò)處理;在第⑧步，如果單元采集沒有完成，則回到第⑤等待下個(gè)單元的回復(fù)確認(rèn)。

　　對于每天只有幾次采集的低頻度情形，可使用低功耗定時(shí)振蕩器，用硬件電路控制主機(jī)的CPU供電，達(dá)到采集時(shí)刻主機(jī)才上電工作1次，大大降低功耗，適合在野外現(xiàn)場做數(shù)據(jù)采集。

　　單元程序流程如下：

　　①上電→②等待啟動命令→③啟動傳感器采集數(shù)據(jù)/點(diǎn)亮L1/與主機(jī)通信/完成數(shù)據(jù)采集→④等待結(jié)束命令→⑤向下個(gè)單元發(fā)送啟動命令→⑥進(jìn)入透傳模式。

　　其中透傳模式的編程框圖見圖3，思路如下：

　　（1）透傳的含義是既可以從接收主機(jī)方向數(shù)據(jù)傳給后面的單元，也可以從后面單元接收數(shù)據(jù)傳給主機(jī)（2）認(rèn)為常態(tài)是高電平，不停檢測左右兩邊的電平，為高時(shí)表示沒有數(shù)據(jù)傳遞。

　?。?）無論在哪個(gè)方向檢測到低電平，都立即把低電平傳輸?shù)搅硪粋€(gè)方向，直到這個(gè)低電平消失，便取消另一個(gè)方向的低電平。

　　3 傳送距離

　　傳送距離受透傳單元引入的脈沖寬度失真和單元電壓跌落兩個(gè)因素影響，下面分別討論。

　　3.1 透傳單元對脈沖的寬度的失真

　　單元之間傳輸延遲如圖4 所示，命令由第N - 1 單元傳向第N 單元，在t1 時(shí)刻發(fā)出，t2 時(shí)刻結(jié)束，寬度為T1.線路電容等帶來脈沖的下降和上升時(shí)間，第N 單元認(rèn)定的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，由該單元的輸入端閾值決定，它認(rèn)定的寬度為T2.同樣道理，這個(gè)寬度傳送到N + 1 單元時(shí)被認(rèn)定為T3.T1，T2 ，T3 會有差異，造成脈寬逐級失真，超過一定限度就無法正確通信（串口專用11.059M 晶體用12M代替就無法工作，這時(shí)誤差僅為8%）。解決逐級失真的辦法有兩個(gè)：

　?。?）加快脈沖上升下降時(shí)間，可在單元的信號線加上拉電阻。上拉電阻的最小值，要保證它灌入的電流小于單片機(jī)能吸入電流的最大值;上拉電阻的最大值，要考慮它與信號線電容的時(shí)間常數(shù)小于通信脈寬的10%.例如，100 m的單元距離，按照普通絞線100 pF/m的分布電容，C = 100 pF×100=0.01 μF，如果使用1 200波特率，信號脈寬800 μs，則時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于80 μs，用τ = RC 計(jì)算，上拉電阻R = τ C = 80 μs /0.01μF =8 kΩ。按照經(jīng)驗(yàn)這個(gè)數(shù)值是可以用于單片機(jī)上拉的。

　?。?）智能判別法，透傳單元不直接轉(zhuǎn)發(fā)電平值，而是把整個(gè)字節(jié)或脈沖接收完畢后，判明是什么數(shù)據(jù)或脈沖，用約定的波特率或脈寬向下個(gè)單元轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以保證沒有累計(jì)的脈沖失真。

　　實(shí)際上，由于單元的一致性，累計(jì)誤差并不大，在波特率1 200 時(shí)，使用1 kΩ上拉電阻可以輕松實(shí)現(xiàn)10 m單元間距上百個(gè)單元級聯(lián)。

　　3.2 各個(gè)單元用電造成的供電降低和地線壓降

　　供電電壓的降低和地線壓降的影響分為3 個(gè)方面討論。

　　3.2.1 遠(yuǎn)端單元供電電壓的降低

　　離開主機(jī)越遠(yuǎn)，單元供電越低。設(shè)第1個(gè)單元與主機(jī)距離L1 m，每個(gè)單元距離L2 m，總單元個(gè)數(shù)為M，待機(jī)單元電流I1，工作單元電流I2，主機(jī)供電電壓為VCC，總線的每米電阻為r，則第N 個(gè)單元的電壓VN = VCC - L1*r*［（N - 1）*I1 + I2］ - L2*r*［（N - 1）*I2 + （N - 2）（N - 1） 2］。

　　當(dāng)L1 = 100 m，L2 = 10 m，M = 100個(gè)單元，I1 =10 μA，I2 = 10 mA，VCC = 5 V，每米電阻r = 0.01 Ω（截面1.5 mm2導(dǎo)線），則最尾端單元N =100得到的電壓為4.8 V，沒有超出5%波動，可以認(rèn)定這個(gè)電壓在正常范圍。

　　以上是100個(gè)單元1 000 m 距離的情形，具有一定的代表意義。

　　3.2.2 單元之間產(chǎn)生的邏輯電平差

　　一般認(rèn)為，在TTL 系統(tǒng)中，低電平高于0.5 V，高電平低于3.5 V會出現(xiàn)不定態(tài)。在有上拉時(shí)，主要考慮低電平問題，后級的低電平要疊加地線壓降作為前級的低電平。顯然，最大疊加電壓出現(xiàn)在第1個(gè)單元與主機(jī)之間，在上述參數(shù)下，這個(gè)疊加電壓約100 m 的線路加上活動電流再加上100 個(gè)單元的待機(jī)電流，約為10 μA×100+10 mA=11 mA，在100 m線路產(chǎn)生的壓降為11 mA×0.01 m=11 mV，數(shù)值很低，可忽略不計(jì)。

　　3.2.3 附加模擬信號總線時(shí)產(chǎn)生的誤差

　　到達(dá)主機(jī)的模擬電壓會附加上各單元間地線的電壓差。有2個(gè)辦法可以解決這個(gè)問題，一是修正法，根據(jù)采樣的單元個(gè)數(shù)，減去所經(jīng)過的單元的地線電壓差。

　　例如，采樣第10個(gè)單元，疊加的電壓為100 m×0.01 Ω×11 mA+10 m×10×0.01 Ω×11 mA=22 mV，主機(jī)采樣電壓時(shí)減去這個(gè)數(shù)值可近似認(rèn)為是準(zhǔn)確電壓。二是采用雙線差分信號傳輸，經(jīng)過2個(gè)模擬開關(guān)選通，不但傳送N 單元的模擬信號，還傳送N 單元的地線到主機(jī)，經(jīng)過主機(jī)的差分放大器，取出N 單元的實(shí)際模擬信號，如圖2所示。

　　3.3 供電方式

　　上述示意圖中，主機(jī)供電VCC 是直接連接到各個(gè)單元的，在遠(yuǎn)距離時(shí)會產(chǎn)生電壓降?？梢允褂脙煞N方案避免：一是每個(gè)單元增加一個(gè)可關(guān)斷DC/DC穩(wěn)壓模塊，被選中的單元接通模塊，只給本單元供電，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是待機(jī)單元不啟動DC/DC模塊，不增加任何功耗，缺點(diǎn)是成本稍高;二是采用較高電壓供電，例如12 V，每個(gè)單元設(shè)立線性降壓至5 V后給單片機(jī)和傳感器使用，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是簡單、低成本，缺點(diǎn)是各個(gè)單元的降壓電路在持續(xù)工作，會增加靜態(tài)電流。

　　4 結(jié)語

　　本文提出的組網(wǎng)方法，非常適合于線狀分布的測點(diǎn)，方便實(shí)用，簡明易用，在低速場合可以獲得很遠(yuǎn)的傳送距離，還能擴(kuò)展傳送模擬信號，經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)用，證明其穩(wěn)定、簡單、價(jià)廉，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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