（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）  倪康婷，王  毅，常  廣

倪康婷（1981－）
女，北京交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為智能儀器。

1  引言

    在一些現(xiàn)場環(huán)境惡劣的情況下，操作人員無法到達(dá)現(xiàn)場而必須遠(yuǎn)距離的采集或控制模擬信號，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。然而，由于工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾，信號經(jīng)電纜傳輸很遠(yuǎn)后，會因為干擾使信號嚴(yán)重失真，另外如果前端電路和后端電路的地之間存在很大的電位差，如用電纜直接相連，會產(chǎn)生很大的接地環(huán)路電流，對設(shè)備及操作人員的安全構(gòu)成極大的威脅。

    本文筆者引入這樣一個光纖隔離數(shù)據(jù)變送器，目的是把前方的電壓采集后隔離傳輸?shù)胶蠖瞬⑥D(zhuǎn)換成為后端可以接受的電壓范圍。其主要包括現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場和后端數(shù)據(jù)通信以及后端數(shù)據(jù)還原、處理三部分。

    本數(shù)據(jù)變送器的技術(shù)指標(biāo)如下：

最高采集速率：50Kbps；
測量精度：0.1%
測量電壓范圍：0～±200V；
變換后電壓范圍：0～±10V；
采集方式：連續(xù)采集；
傳輸距離：約2000m。

2  系統(tǒng)構(gòu)成

    本系統(tǒng)的采用了Cygnal公司完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片C8051F000，其內(nèi)部自帶PGA（其數(shù)字可編程增益為0.5、1、2、4、8、16）；具有一個真正多通道的12位的A/D轉(zhuǎn)換器和兩個12位的D/A轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)100Kbps；其片內(nèi)參考電壓是1.2V或2.4V可選，時鐘最大可達(dá)25MHz；3.3V供電，20MHz時候典型工作電流僅為10mA。系統(tǒng)的前端、后端硬件結(jié)構(gòu)圖分別如圖1、圖2所示。

圖1  前端電路結(jié)構(gòu)框圖


圖2  后端電路結(jié)構(gòu)框圖

3  系統(tǒng)部分硬件設(shè)計

    (1)  量程自動切換

    為了提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，減少量化誤差，此處采用量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)來解決變化范圍大的信號的測量問題。量程設(shè)置為-200V～200V至-1V～1V八個等級；由于前端電路無法應(yīng)用市電，而采用電池供電，則量程轉(zhuǎn)換由MCU內(nèi)部自帶的PGA與低功耗、高精度的程控儀表放大器PGA202共同實現(xiàn)。

    預(yù)先置PGA202的控制端(P1.3、P1.4)以及單片機(jī)內(nèi)PGA控制寄存器值，使其增益均為1，隨后量程的自動切換由軟件控制實現(xiàn)。

    (2)  信號傳輸過程

    從傳感器得到的待測信號-200V～200V經(jīng)過壓保護(hù)電路，高精度電阻分壓后（電壓變?yōu)?1V～1V）輸入到PGA202中；由于PGA202以及C8051F000片內(nèi)PGA增益均為1，保證了經(jīng)PGA202輸出以后電壓范圍仍為-1V～1V；由于單片機(jī)的輸入信號范圍是0～2.4V，這里令12位的DAC0輸出為1V，把輸入信號偏置為0～2V；模擬信號經(jīng)過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號，再經(jīng)由兩片并/串芯片74HC165送入曼徹斯特編碼器HD-15530，數(shù)字信號由NRZ碼轉(zhuǎn)變?yōu)镸anchester碼，最后由光發(fā)射器把電信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)由光纖發(fā)送給控制室的后端電路。

    被傳送的數(shù)字信號通過光纖傳輸，由光接收器接收，經(jīng)過電平判定、整形后進(jìn)入HD-15530解碼后再經(jīng)由兩片串/并芯片74HC164送入單片機(jī)；單片機(jī)收到帶著量程信息的數(shù)據(jù)包，提取數(shù)據(jù)，量程通過LED進(jìn)行顯示，同時把收到的12位的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號，最后經(jīng)過電壓偏置以及濾波電路輸出電壓范圍為-10V～10V的電壓信號。

    (3)  數(shù)字信號的曼徹斯特編碼

    在曼徹斯特編碼中，用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負(fù)跳變表示“1”。由于跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間位置，接收端可以利用它作為同步時鐘，因此曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。

    Manchester II碼編碼器用于機(jī)載數(shù)據(jù)總線MIL-STD-1773及1553中，由20 bit組成。其中1～3 bit為同步頭，是無效的Manchester碼，標(biāo)識幀的開始。當(dāng)前1.5 bit為高電平，后1.5 bit為低電平時表示命令/狀態(tài)字，前1.5 bit為低電平，后1.5 bit為高電平時表示數(shù)據(jù)字。4～19 bit為編碼器接收到的待編碼數(shù)據(jù)，20 bit為校驗位，對4～19 bit進(jìn)行奇偶校驗。由于曼徹斯特II碼發(fā)送一個字是16位，這里使用兩片74HC165并/串移位寄存器，在高8位數(shù)據(jù)編碼后及時輸入低8位數(shù)據(jù)，保證正常傳送一個16位的字。本系統(tǒng)采用單片機(jī)的T1對發(fā)送位進(jìn)行計數(shù)，發(fā)送完高8位，產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，輸入低8位數(shù)據(jù)。接收時，接收到的信號送15530芯片，經(jīng)曼徹斯特譯碼器譯碼后，在譯碼移位時鐘的作用下，把數(shù)據(jù)輸入到串/并移位寄存器74HC164，每接收8位數(shù)據(jù)，單片機(jī)就產(chǎn)生一個中斷，取走這8位數(shù)據(jù)。

    (4)  光纖隔離

    本系統(tǒng)采用Agilent公司的光發(fā)射器HFBR1414和接收器HFBR2416，傳輸速率為20Mbps時，傳輸距離可達(dá)2700m，速率更小時，傳輸距離還可以更遠(yuǎn)。由于本系統(tǒng)的采樣速度為50Kbps，12位的數(shù)字信號加上發(fā)送到后端的量程信號以及Manchester碼附加位，所需傳輸速度為1Mbps，因此完全滿足設(shè)計要求。其驅(qū)動電路如圖3、圖4所示。

圖3  HFBR-1414的驅(qū)動電路

    本設(shè)計采用74HC00的三個與非門串連對HFBR-1414進(jìn)行驅(qū)動，每個門最大輸出電流可達(dá)25mA，足夠驅(qū)動LED。被傳送的數(shù)字信號通過光纖傳輸，并經(jīng)過光接收器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，輸出跳變并不明顯的數(shù)字信號，低電平約為1.7V，高電平約為2.3V，則必須經(jīng)過電平判定才可以進(jìn)入單片機(jī)。這里采用輸出的信號與2V的電壓進(jìn)行比較，通過比較器MAX903，得到TTL電平。

圖4   HFBR-2416的驅(qū)動電路

4  系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)

    C8051F000具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式的全速在系統(tǒng)調(diào)試。

T：每小格為100μs
圖5  被采樣波形與輸出波形對比圖

    系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，各項指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。實驗波形圖如圖5所示，其中被采樣信號為正弦波；頻率約為2kHz；幅值約為20V。

5  結(jié)論

    系統(tǒng)采用光纖傳輸數(shù)字信號，有效隔離了后端控制室與前端的惡劣的采集環(huán)境，保證了工作人員和儀器的安全；采用光纖傳輸代替電纜傳輸，系統(tǒng)大大避免了傳輸過程中周圍惡劣環(huán)境的干擾，提高了傳輸距離；采用Manchester碼代替NRZ碼傳輸數(shù)字信號，避免了信號輸出基線漸移的現(xiàn)象，減少了直流分量，誤碼率降低；采用片內(nèi)的PGA與PGA202共同實現(xiàn)了量程的自動轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)精度。

    本系統(tǒng)適用在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集，前端現(xiàn)場環(huán)境惡劣，前后端地電位差相差很大，對速度要求并不是很高的場合（工業(yè)自動控制、測量儀器儀表、電力系統(tǒng)等）。如果需要提高采樣速度，可采用具有更快采樣速度的MCU配以LVDS SERDES或其他高速的曼徹斯特編解碼器件進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的傳輸來實現(xiàn)。

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