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，系統硬件主要由16位AD7715模數轉換電路、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。在一些數據采集系統中，測量現場環境惡劣，計算機主控系統與測量裝置和傳感器相距甚遠。傳統的數據采集方法是采用長距離的電纜系統或通過無線電傳輸。采用無線數據傳輸方式組建測控網絡，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，無法實現各個設備終端的互聯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展，使得以電力線通信的方式實現了低成本、高精度、高可靠性的傳感器數據采集，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。在本系統中，模數轉換單元采用新型16位模數轉換芯片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成的電力線，降低了系統實現的成本和復雜性。
1 系統結構設計
基于電力線通信技術的傳感器信號遙測系統結構框圖如圖1所示。傳感器采集信號經過A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號，對轉換后的信號采用BPSK調制技術進行調制，調制后經過載波發送電路把信號耦合到低壓電力線網絡，經過低壓電網傳輸到指定接收端，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
整個系統主要由傳感器數據采集單元、單片機主控單元和電力線通信發送、接收電路三部分組成。
2.1 傳感器數據采集單元
數據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轉換，然后經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據的串行輸入端，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據的串行輸出端，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數據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據寄存器命令，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，采出碼將出現波動，效果變差，這時可以在讀數據時采用滑動平均值數字濾波，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為1，1.25 V以下的信號選擇放大倍數為2，78mV以下的小信號選擇放大倍數為32，19mV以下的小信號選擇放大倍數為128。本系統傳輸的是小信號，選擇了放大倍數為128。
2.2 單片機主控單元
在控制單元電路里，用單片機實現對傳感器信號的采集和對電力線載波數據發送功能的控制，它使整個傳感器數據采集系統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 載波發送、接收部分
2.3.1 載波發送電路
載波發送電路如圖3所示，載波發送電路中，載波模塊工作電平為 TX_16V，載波發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，經后續放大電路后，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負載的不同而有所差異。載波信號經過放大電路后，通過耦合電路直接被發送到電力線上。圖3中網絡標號 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為發送控制引腳：“1”打開外圍的載波發送電路控制；“0”關掉外圍的載波發送電路控制；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要發送載波信號時需使用外圍的載波發送電路，使RISE3401經放大的載波信號通過耦合電路入口TX_OUT發送到電力線上。
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據采集監測裝置，其通信可靠，不占用無線電頻率資源，無需鋪設電纜系統。該系統設計已經通過測試應用，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.