基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

第36卷第2期2008年4月

福州大学学报(自然科学版)

Journal of Fuzhou University(Natural Science)

Vol.36No.2

Ap r.2008

文章编号:1000-2243(2008)02-0246-04基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

郭谋发

(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州 350108)

摘要:用电力线载波通信技术设计了水库水位遥测系统.系统载波通信采用FSK调制方式,由监控工业计算

机、主站和子站3部分组成,主站可以单独运行,也可由监控I PC控制.介绍了系统的构成、通信协议及软硬

件设计方法.系统提高了水库水位测量与管理的自动化水平.其通信方案也可用于其它场合的数据远程采集.

关键词:FSK调制;电力线载波通信;水库;水位;遥测系统

中图分类号:T M76文献标识码:A

A rem ote acqu isiti on system for reservo i r wa ter lever ba sed on PLC com m un i ca ti on

G UO Mou-fa

(College of Electrical Engineering and Aut o mati on,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350108,China) Abstract:A re mote acquisiti on syste m f or reservoir water lever based on power line carrier communi2 cati on technique is p r oposed.FSK is adop ted as modulati on technique of P LC communicati on.The

syste m is composed of I PC,master node and slaver node.Master node can run singly or be in contr ol of I PC.Constituti on of syste m,communicati on p r ot ocol,hardware design method and s oft w are design method are intr oduced in this paper.The syste m i m p r oves aut omatic level of water lever acquisiti on

and manage ment.It can als o be used in other situati on.

Keywords:FSK modulati on;power line carrier communicati on;reservoir;water lever;re mote acqui2 siti on syste m

水库水位对指导中、小型水电站发电起重要作用.传统的数据传输方法是长距离装设通信线路,或无线通信,该方案实施和维护工作量大.用低压电力线载波通信技术,在现成的电力线路上传输数据,具有无须装设通信线路,不占用无线通信频道资源,可大大地减少投资和对线路的维护成本等优点.但由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化,使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配,给电路的设计带来很大的困难;同时,低压电力线载波信道具有衰减较大,高噪声等传输特性,使其成为不理想的通信媒介[1].选用基于FSK调制的载波通信技术、抗干扰能力强的低压电力线载波专用调制解调芯片ST7536设计基于电力线载波通信的水库水位遥测系统,可很好地解决上述问题.

1 系统硬件

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统由1台监控用工业控制计算机(I PC)、1个主站和若干个子站构成.子站主要功能为采集水库水位并远传.I PC通过RS232接口与主站相连,实现对水电站库区水位的遥测与管理功能.主站实现RS232接口与低压电力线载波通信接口之间的相互转换.主站和子站挂接在单相或三相低压电力线上.主站安装于水电站控制室内,子站安装于水库坝头的控制箱内.主站和子站以低压电力线载波通信方式实现数据交换.

主站及子站硬件结构如图1所示.为生产方便,将主站及子站硬件电路设计成一致.子站由指示、键盘、看门狗及数据存储、水位传感变送、模数转换、载波通信接口等单元组成.子站的键盘及指示用于调试用,调试后可关闭该功能.主站由指示、键盘、看门狗及数据存储、输出继电器、RS232通信接口、数模

收稿日期:2006-12-27

作者简介:郭谋发(1973-),男,硕士,讲师.

基金项目:福建省教育厅科研资助项目(JA07008)

第2期郭谋发:基于电力线载波通信的水库水位遥测系统输出、载波通信接口等单元组成.

子站的水位传感器采用KYS -G 型扩散硅压阻式传感器,灵敏度高,线性度好,温度补偿效应好.零点输出0.56mV,满量程输出42.45mV ,对应水深0~10m.子站的水位变送器采用专用的仪表放大器XTR105,向传感器的平衡电桥提供1.6mA 的电流源.XTR105是4~20mA 变送器,具有低失调误差,桥路灵敏的激励,低失调温漂(0.4μV /℃),宽的电源范围(7.5~36V )等特点.子站的模数转换采用4位半双积分型A /D 转换器I CL7135①,如图2所示,精度高(相当于14位),抗干扰性能好.两次积分时间较长,转换速度慢,但对周期性变化的干扰信号积分为0,这对水位的测量是适合的.硬件设计时需考虑:①积分电阻R 3的阻值精度要求高,选用0.1%精度金属膜电阻,阻值等于满量程电压除以20μA;②积分电容C 2,选用聚丙烯或聚碳脂电容器,容量为0.47μF;③自动调整电容C 3,选用大容量,可减少噪音,选容量为1μF;④基准电容C 4,容量大些可忽略寄生电容对结点的影响.取值为1μF

.

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

图3 电力线载波通信接口原理框图Fig .3 Princi p le diagra m of power line carrier communicati on 主站采用MAX202实现标准RS232通信接口,

可与监控I PC 机进行数据通信,也可外接Mode m 实

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

现远程通信.针对水电站具体情况,主站也可脱离

监控I PC 独立运行,这样可节约系统造价.主站由

MAX I M 公司的12位D /A 转换器MAX5352实现水

位信号的4~20mA 输出.

主站及子站的电力线载波通信接口原理如图3

所示.载波通信接口电路采用同步FSK 调制解调器

芯片ST7536.FSK 调制方式具有较强的抗干扰能力,

抗衰减特性比较好,能实现电力线可靠的数据通信,

是一种适合电力线载波传输的非线性调制方式.发

送时,FSK 调制器将数字信号编码成2个分立的频

率.高频对应二进制的“0”,低频对应二进制的“l ”.FSK 解调器将接收到的FSK 信号解调并且以原来的二进制的格式进行存贮.一般来讲,可以附加带通滤波器用来抑制带外噪声,降低FSK 发送器的谐波.ST7536是专为电力线载波通信而设计的半双工同步调制解调集成电路,符合DH028/29E NE L 、欧洲Cen 2elec EN50065-l 标准以及美国FCC 标准.它较好地克服了低压电力线载波传输中的技术问题,采用抗噪声、低成本的FSK 调制技术,芯片内部集成了发送和接收数据的功能,只需加很少的外部器件就可与控制器、电力线耦合电路一起构成一个完整的电力线载波通信系统.

ST7536共有28个引脚②.下面简要介绍主要的几个引脚.①信道和波特率的选择:包括用于选择波?742?①②Maxi m Cor porati on .

I CL7135digit A /D converter with multi p lexed BCD out puts technical data sheet .1994.SGS -THOMS ON Cor porati on .ST7536technical data sheet .1998.

福州大学学报(自然科学版)第36卷特率的BRS 引脚;对每种波特率选择信道的CHS 引脚.②数据输入和输出:包括Rx D 、CLR /T 、Tx D 等.实现与CP U 同步数据交换.CLR /T 为时钟信号引脚.③模拟接收输入和发送输出:RA I 、AT O.与电力线接口电路(P L I )相连.④接收/发送控制输入:R x /T x .⑤自动等级控制输入:ALC I .其作用为避免功率放大器的输出电压受电力线网络变化的影响.⑥自动频率控制的稳定:AFCF .其作用为调节发送/接收频段滤波器的中心频率

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

.

图4 耦合及浪涌保护电路

Fig .4 Circuit of coup le and surge p r otecti on 在发送方式上,电力线接口电路放大和滤波从

ST7536来的发送信号AT O;在接收方式上,变压器从

电力线中得到要接收的信号,在将此信号送到ST7536

的接收端(RA I )前,先要经一前置放大器的电平放大.

为了避免功率放大器低输出阻抗干扰接收信号,要关

闭缓冲器和功率放大器,由引脚R x /T x 控制.耦合电

路采用铁氧体磁环作为耦合变压器的磁芯,变比为1∶

1.用T VS 抑制较大幅度或较大加速度的瞬间电压.耦

合及浪涌保护电路原理如图4所示.D 1,D 2为肖特基

二极管.2 系统软件

2.1 

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

子站及主站软件

图5 软件流程图

Fig .5 Pr ogra m structure diagra m 子站的软件主要有初始化模块、模数转换滤波、越

限判断、通信程序、键盘扫描模块、显示模块等,如图5.

主站软件比子站软件多了数模转换模块,继电器输出程

序,与监控I PC 通信模块.软件采用C51结构化设计[2].

子站的I CL7135A /D 转换器与CP U 接口为并行方

式.启动A /D 转换的控制端RUN /HOLD 接高电平,为自

动连续转换.模数转换软件设计有两种方式:中断方式

和查询方式.中断方式将数据输出选通脉冲引脚

ST ROBE 接到CP U 的I N T0.一次A /D 转换结束后,该端

输出5个负脉冲,分别对应万,千,百,十,个位的BCD

码.设置一个计数器,中断一次计数器加1,计数5次

后,若再来一次中断且D 5=1,则通过判断BCD 码数据

的位驱动信号输出端,由BCD 码数据输出线B 8,B 4,

B 2,B 1依次读入采样值的万,千,百,十,个位.查询方式没有用到数据输出选通脉冲引脚STROBE,软件每个

运行周期都查询判断一次D 5是否为1,若为1,则紧接着依次判断BCD 码数据的位驱动信号输出端,读入采样值的万,千,百,十,个位,否则等待,直到D 5为1.考虑到水位变化缓慢,软件采用查询方式进行A /D 转换.

2.2 监控I PC 软件

主站与监控I PC 机之间通信采用RS232通信方式;通信格式:8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位.采用累加和求反校验.数据信息为二进制.采用Modbus 通信协议.

监控I PC 机主要功能有:基准水位、高限水位、低限水位设置及管理,水位越限报警记录,库区水位测量及相关设备管理,权限管理,数据备份与恢复,后台通信等.软件用Del phi6.0设计,对数据的管理采用Del phi6.0自带的Paradox 数据库[3],用S QL 语句实现.打印功能用Del phi6.0内嵌的第三方报表设

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第2期郭谋发:

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统图6 通信流程图Fig .6 Communicati on p r ogra m structure diagra m

计软件QuickReport .权限设有系统管理员、高级用户

及一般用户3种.串口通信程序流程如图6,采用

M icr os oft 公司的通信OCX 控件MSComm [4].为了最大

限度保证数据通信的实时性,同时又能及时响应用户

的操作或进行数据处理,用单一主线程消息驱动设计

软件不能满足要求,设计通信软件时使用了多线程技

术.在Del phi 中创建多线程有两种方法,一种利用

W indo ws AP I 函数CreateThread;另一种利用Del phi 提

供的TThread 类,采用面向对象的设计方法.方法二

实现方便、可靠,本软件采用第二种方法.从TThread

类派生一个类TComm ,在TComm 类中定义私有变量、

数据显示刷新过程D is p lay,重载TThread 类的Execute

方法.通信及同步刷新显示过程调用程序在TComm

类的Execute 方法中实现,用Synchr onize 对象方法同

步更新显示,线程的启动由TThread 类的构造函数Create 实现.3 结语

基于电力线载波通信的水库水位遥测系统采用抗干扰能力强的FSK 方式进行载波,以低压电力线作为通信媒介,避免了构建新的通信信道,适用于中、小型水电站库区水位的测量.系统具有测量精度高(±3c m ),可靠性高,使用灵活,成本较低,能适应恶劣环境等优点.系统的通信方案可推广应用于其它场合的数据远程采集.如电力低压用户抄表系统、智能照明系统等.

参考文献:

[1]丘玉春,徐平平.低压电力线载波信道特性分析[J ].电力系统通信,1999(6):48-49.

[2]马忠梅,籍顺心,张凯.单片机的C 语言应用程序设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[3]张大年,廖智勇.Del phi 数据库应用开发技术与实例[M ].北京:清华大学出版社,2002.

[4]黄军,熊勇.Del phi 串口通信编程[M ].北京:人民邮电出版社,2001.

(责任编辑:沈芸)

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