章雪挺，翁大平，劉敬彪，沈張一

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

以電力線載波為載體的船載數(shù)據(jù)傳感器采集與傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水下模塊5 路電壓，5 路電流和15 路壓力傳感器數(shù)據(jù)的獲取和顯示，以及傳輸誤碼率測(cè)試。國外很早就研究了電力線載波通信技術(shù)，很多公司同時(shí)也研制了自己的電力線載波芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)目前在電力線載波芯片的研制方面沒有較大成果，主要應(yīng)用電力線載波模塊在遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域［1］。

本文提出的將電力線載波模塊應(yīng)用于500 VAC 的船載數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，可以采集船載水下模塊的5 路電壓值、5 路電流值和15 路壓力值，同時(shí)可以測(cè)試水下模塊和甲板模塊的誤碼率，并實(shí)現(xiàn)500 VAC 輸出可控，對(duì)監(jiān)測(cè)船載阻性負(fù)載的狀態(tài)和保證船載工作平臺(tái)安全性具有深遠(yuǎn)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

500 VAC 電力線載波船載數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包含甲板模塊、水下模塊、電壓可控輸出電路、變壓器、改進(jìn)的KQ130485F 模塊、傳感器組和人機(jī)交互監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

本系統(tǒng)主要分為甲板單元、水下單元和人機(jī)交換監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其中甲板單元通過接收上位機(jī)發(fā)送的“打開輸出1”和“打開輸出2”指令來控制繼電器，實(shí)現(xiàn)2 路24 VDC/0.8A輸出;甲板單元通過接收上位機(jī)發(fā)送的“系統(tǒng)供電”指令來控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)500 VAC 輸出可控。甲板單元連接改進(jìn)的KQ130485F模塊為數(shù)據(jù)接收端模塊，即負(fù)責(zé)接收從水下單元采集的傳感器數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至人機(jī)交換監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of system

水下單元主要負(fù)責(zé)采集5 路電壓值，5 路電流值和15 路壓力傳感器值，由于單片STM32F107 最多只有16 路AD 輸入端，要滿足25 路的數(shù)據(jù)采集，需使用2 片STM32F107 同時(shí)工作來完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。水下單元連接改進(jìn)的KQ130485F 模塊為數(shù)據(jù)發(fā)送端模塊，即負(fù)責(zé)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到甲板單元。由于壓力傳感器為二線制連線方式，輸出信號(hào)為4～20 mA 的電流信號(hào)，在AD采集前端需要通過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，單片機(jī)內(nèi)部AD 才能采集，二線制傳感器的連線方式如圖2 所示。

圖2 二線制傳感器連接圖Fig 2 Two-wire sensor connection diagram

人機(jī)交互平臺(tái)主要完成3 個(gè)任務(wù):25 路傳感器數(shù)據(jù)的顯示、3 路電壓控制開關(guān)和通信鏈路誤碼率測(cè)試。

2 系統(tǒng)硬件

在220VAC 電力線載波模塊KQ130485F 的基礎(chǔ)上，通過研究改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了500 VAC 電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。改進(jìn)的KQ130485F 模塊在500 VAC 和強(qiáng)干擾、遠(yuǎn)距離的環(huán)境下，能夠可靠地傳送數(shù)據(jù)。改進(jìn)的KQ130485F 載波模塊包括了載波驅(qū)動(dòng)、耦合、濾波、防雷擊等復(fù)雜的外圍電路。用戶只需要提供12 V 電源，2 根485 信號(hào)線，通過RS—485信號(hào)線與STM32 單片機(jī)系統(tǒng)相連來獲取待傳輸或待接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸波特率固定為9 600 bps;通過模塊的2 個(gè)AC 端直接連接到500 V(不分零線，火線)來實(shí)現(xiàn)電力線傳輸通道的連接［2］。

本系統(tǒng)中共使用到3 臺(tái)交流變壓器，其中220 ～30 VAC/100W變壓器用于甲板單元的系統(tǒng)供電模塊;500～15 VAC/100W 變壓器用于水下單元的系統(tǒng)供電模塊;220～500 VAC/3000W 變壓器用于實(shí)現(xiàn)在500 VAC 電壓上數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)中2 路24 VDC/0.8A 的可控輸出是通過繼電器JZC—32F 012—ZS3(555)來實(shí)現(xiàn)，此繼電器的吸合電壓是+12 V，額定電流為3 A，觸點(diǎn)切換電壓為250 VAC30 VDC，觸點(diǎn)切換電流為3A［3］。本系統(tǒng)中500 VAC 的可控輸出是首先通過控制繼電器JZC—32F 012—ZS3(555)來實(shí)現(xiàn)+24 V電壓的可控輸出，然后將+24 V 可控電壓接入固態(tài)繼電器LRSSR—DA 來實(shí)現(xiàn)220 VAC 電壓的可控輸出，最后將220 VAC可控電壓接入220～500 VAC 變壓器實(shí)現(xiàn)500 VAC電壓的可控輸出。固態(tài)繼電器LRSSR—DA 的控制端輸入電壓為3～32 VDC，受控端接入最高電壓為10A/380VAC/50～60 Hz的交流信號(hào)［4］。

本系統(tǒng)中微處理器選用ST 公司32 bit 單片機(jī)STM32F107VCT6。這種單片機(jī)集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，72 MHz 運(yùn)行頻率，擁有硬件除法和單周期乘法，快速可嵌套中斷和256 kB FLASH Memory 和高達(dá)64 kB 的SRAM，內(nèi)部AD 輸入通道多達(dá)16 個(gè)，豐富的定時(shí)器資源和串口資源完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源要求［5］。

本系統(tǒng)中需要采集的5 路電壓、5 路電流和15 路壓力值都是通過傳感器獲得的。電壓傳感器型號(hào)是維博電子WBV412D01，電流傳感器型號(hào)是維博電子WBI412S91。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三大部分:甲板單元接收上位機(jī)命令程序、水下單元采集發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)程序以及上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示和誤碼率校驗(yàn)程序，本設(shè)計(jì)程序中下位機(jī)代碼均在KEIL 下編譯、調(diào)試，上位機(jī)代碼均在Microsoft Visual Studio 2008 下編譯、調(diào)試。

3.1 甲板單元接收上位機(jī)命令程序設(shè)計(jì)

甲板單元程序設(shè)計(jì)可以分為以下3 個(gè)步驟:

1)系統(tǒng)初始化

上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘，I/O 口，USART 進(jìn)行初始化配置。

2)KQ130485F 模塊接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

甲板單元的KQ130485F 模塊采用RS—485 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，需要接RS—485 轉(zhuǎn)RS—232 模塊后才能將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

3)實(shí)時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送命令并執(zhí)行動(dòng)作

甲板單元接收上位機(jī)發(fā)送的3 種命令幀，對(duì)應(yīng)執(zhí)行3 種不同的動(dòng)作，命令幀和執(zhí)行動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 命令幀和執(zhí)行動(dòng)作示意圖Tab 1 Command frame and execute actions

甲板單元接收上位機(jī)命令程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖3 甲板單元程序設(shè)計(jì)流程圖Fig 3 Flowchart of deck unit programming

3.2 水下單元采集發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

水下單元程序設(shè)計(jì)可以分為以下3 個(gè)步驟:

1)系統(tǒng)初始化

上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘，I/O 口，USART 和AD 進(jìn)行初始化配置。

2)KQ130485F 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

水下單元采集到的5 路電壓值、5 路電流值和15 路壓力傳感器值通過KQ130485F 模塊發(fā)送到甲板單元，水下單元通過RS—485 協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給KQ130485F 模塊。

3)采集傳感器數(shù)據(jù)后以幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)包

水下單元將采集到的傳感器數(shù)據(jù)按照“@#，02，*1，*2，*3，*4，*5，*6，*7，*8，*9，*10，*11，*12，*13，*14，*15，*16，*17，*18，*19，*20，*21，*22，*23，*24，*25，/r/n”的數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送出去(*n代表第n 路傳感器數(shù)值)。水下單元程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示和誤碼率校驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分為以下3 個(gè)部分:

1)25 路傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)

25 路傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)由15 路壓力傳感顯示區(qū)和10 路負(fù)載狀態(tài)顯示區(qū)組成，數(shù)值支持浮點(diǎn)數(shù)值和整型數(shù)值。

圖4 水下單元程序設(shè)計(jì)流程圖Fig 4 Flowchart of underwater unit programming

2)可控電壓輸出控制區(qū)

可控電壓輸出控制區(qū)由系統(tǒng)供電、打開輸出1 和打開輸出2 組成。

3)誤碼率校驗(yàn)區(qū)

誤碼率校驗(yàn)區(qū)由顯示丟碼數(shù)、誤碼數(shù)、通信狀態(tài)、發(fā)送字符數(shù)、接收字符數(shù)、誤碼率、測(cè)試發(fā)送數(shù)據(jù)顯示、測(cè)試接收數(shù)據(jù)顯示、測(cè)試開始和測(cè)試暫停組成。上位機(jī)流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)接收顯示和誤碼率測(cè)試Fig 5 Data reception display and bit error rate test

4 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將變壓器組接入控制電路中，通過KQ130485F 模塊將甲板單元和水下單元連接起來;上位機(jī)通過RS—485 轉(zhuǎn)RS—232 模塊和甲板單元連接起來，其中變壓器組如圖6 所示，甲板單元如圖7 所示，水下單元如圖8所示。

圖6 變壓器組Fig 6 Transformers group

在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行為期一周的測(cè)試。測(cè)試條件:甲板單元和水下單元有線通信距離30 m，對(duì)電壓、電流和壓力傳感器數(shù)值進(jìn)行測(cè)量20 次取平均值，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

圖7 甲板單元Fig 7 Deck unit

圖8 水下單元Fig 8 Underwater unit

表2 傳感器組測(cè)試結(jié)果Tab 2 Test results of sensors group

結(jié)果表明:系統(tǒng)正常工作，達(dá)到預(yù)期的測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文利用改進(jìn)的KQ130485F 模塊實(shí)現(xiàn)了500 VAC 電力線載波船載數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還保留了一些AD輸入端接口，為以后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)做好準(zhǔn)備。同時(shí)系統(tǒng)通過上位機(jī)可以控制500 VAC 的通斷，這樣就可以直接控制水下單元是否被供電，可以在不需要傳感器工作時(shí)關(guān)閉水下單元工作狀態(tài)，節(jié)省船載電量，從而可以提高水下單元持續(xù)工作時(shí)間。系統(tǒng)很好地滿足了船載數(shù)據(jù)采集傳輸要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

［1］ 張海亮.電力線載波技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006(10):1-2.

［2］ 四川科強(qiáng)電子技術(shù)有限責(zé)任公司.KQ—330F 電力載波模塊使用手冊(cè)［Z/OL］.［2004—01—01］.http:∥www.kq100.com/download.asp.

［3］ 深圳慶東科技發(fā)展有限公司.繼電器—JZC—32F/012—ZS3 的詳細(xì)說明［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥china.npicp.com/productshow/offerdetail/33—1042—3111—1231893.html.

［4］ 浙江利爾德繼電器有限公司.LRSSR—DA 10A 詳細(xì)信息［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥lierdrelays.cn.makepolo.com/product/100194830956.html.

［5］ ST 公司.STM32F107VC Datasheet［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/search/part-NumberKeyword.

［6］ 綿陽市維博電子有限責(zé)任公司.2014 傳感器選型手冊(cè)［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥www.wb-my.com/service.asp?Title=%D7%CA%C1%CF%CF%C2%D4%D8.