邵燦輝 何國(guó)云 倪維東

(南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 210032)

0 引言

差阻式傳感器利用儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感器原件，將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。根據(jù)差阻式傳感器測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了差阻式儀器在大壩安全監(jiān)測(cè)等水利設(shè)施中的廣泛應(yīng)用［1-2］。本文采用24位高精度采樣芯片ADS1248和低功耗微控制器MSP430F5436相組合，設(shè)計(jì)了大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路差阻式傳感器電阻比值、電阻和值的精確測(cè)量以及裝置的低功耗運(yùn)行。同時(shí)，該系統(tǒng)利用大容量Flash存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)2048次定時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)讀取周期，減少了值班人員的工作量［3］。電阻比值(R1/R2)。由于電流只流過(guò)藍(lán)白兩線，而黑紅綠三線無(wú)電流，采樣芯片讀取黑紅兩線間電壓V1和紅綠兩線間電壓V2，因此，儀器測(cè)量與電阻差變及電纜芯線電阻大小無(wú)關(guān)［4］。

圖1 差阻式傳感器接線原理圖Fig.1 The wirings of differential resistor sensor

1 硬件設(shè)計(jì)

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the monitoring system

差阻式傳感器可以用兩個(gè)串聯(lián)的電阻來(lái)表示，如圖1所示。圖1中，R1為外圈鋼絲的電阻，R2為內(nèi)圈鋼絲的電阻。根據(jù)電橋測(cè)量原理對(duì)差阻式傳感器進(jìn)行測(cè)量，可得到差阻式傳感器的電阻和值(R1+R2)以及

1.1 通道切換電路

根據(jù)土工大壩安全監(jiān)測(cè)的需要，一般需要埋設(shè)大量的差阻式傳感器。這就需要監(jiān)測(cè)儀器能同時(shí)檢測(cè)大量的傳感器數(shù)據(jù)。所有傳感器與A/D測(cè)量通道之間通過(guò)通道切換電路來(lái)控制多路信號(hào)線的導(dǎo)通或切斷，實(shí)現(xiàn)傳感器的測(cè)量。

由于差阻式傳感器是五線制，故需要選用三個(gè)含兩個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)的繼電器進(jìn)行傳感器的接通與切斷。通過(guò)DB15針公母頭連接四個(gè)通道切換模塊，每個(gè)通道切換模塊能接八個(gè)傳感器，則該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一塊CPU模塊能同時(shí)檢測(cè)32個(gè)差阻式傳感器。CPU模塊中的通道切換電路原理如圖3所示。

圖3 通道切換電路原理圖Fig.3 The principle of the channel switching circuit

由于MSP430F5436單片機(jī)的普通I/O口輸出電平為3.3 V，而外圍驅(qū)動(dòng)繼電器線圈電壓為5 V，因此需要通過(guò)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換芯片ISO7241A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)該芯片還可以起到信號(hào)隔離作用，保護(hù)單片機(jī)避免強(qiáng)電輸入。該系統(tǒng)選用SN74LVC138譯碼器來(lái)選擇所需測(cè)量通道，然后通過(guò)達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼電器切入所需測(cè)量的傳感器通道。通道切換電路的設(shè)計(jì)充分實(shí)現(xiàn)了多路傳感器的選擇測(cè)量。

1.2 A/D 采樣電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)差阻式傳感器的高精度測(cè)量，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取24位高精度采樣芯片ADS1248。采樣電路通過(guò)SPI同步串口與 MSP430F5436進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［5-6］;工作電平為5 V，并利用電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換芯片ISO7241A實(shí)現(xiàn)通信線和控制線的電平轉(zhuǎn)換和隔離。ADS1248芯片不僅具有很高的采樣精度，還可以提供穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)電流源和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。由于ADS1248芯片還具有內(nèi)部信號(hào)放大的功能，因此，在信號(hào)測(cè)量電路中省略了信號(hào)放大電路，避免了因信號(hào)放大而產(chǎn)生的不必要的信號(hào)諧波。該系統(tǒng)采用ADS1248內(nèi)部可選信號(hào)增益放大器PGA，其增益倍數(shù)可以靈活設(shè)置，最高增益可達(dá)128倍。若選擇較大的增益倍數(shù)，會(huì)造成A/D采樣分辨率的下降;而增益設(shè)置過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)精確度下降。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比和統(tǒng)計(jì)，在此A/D采樣設(shè)置中設(shè)置采樣增益為8倍。A/D采樣電路如圖4所示。

圖4 A/D采樣電路Fig.4 A/D sampling circuit

由于該測(cè)量系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，而大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求采樣數(shù)據(jù)時(shí)刻保持高精度性、高穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)不能發(fā)生無(wú)規(guī)律的跳動(dòng)，這就需要提供后備的基準(zhǔn)電壓參考源。此外，該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了A/D采樣芯片的外部電壓基準(zhǔn)源，其電路如圖5所示，其輸出基準(zhǔn)電壓為2.048 V。當(dāng)在惡劣工作環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，A/D芯片內(nèi)部基準(zhǔn)可能由于芯片發(fā)熱或者運(yùn)行負(fù)荷過(guò)大，容易造成內(nèi)部基準(zhǔn)電壓不準(zhǔn)確，這時(shí)就可以利用外部基準(zhǔn)電壓保證傳感器測(cè)量精度。當(dāng)外部基準(zhǔn)電壓電路因芯片發(fā)生老化或損壞時(shí)，也可以使用A/D內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)了芯片內(nèi)部外部基準(zhǔn)電壓的互備，保證了系統(tǒng)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

圖5 外部基準(zhǔn)電壓電路Fig.5 External reference voltage circuit

1.3 串口通信電路

根據(jù)目前大壩安全監(jiān)測(cè)的形式，大壩自動(dòng)化產(chǎn)品需要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)和控制功能。對(duì)現(xiàn)地設(shè)備而言，間隔長(zhǎng)時(shí)間巡查是常態(tài)，這就需要現(xiàn)地裝置具有穩(wěn)定可靠的通信能力。RS-485通信電路如圖6所示。該系統(tǒng)利用單片機(jī)的兩個(gè)UART口實(shí)現(xiàn)RS-485串口與上位機(jī)的遠(yuǎn)距離通信，其雙RS-485串口便于與上位機(jī)通信冗余。利用一個(gè)UART口轉(zhuǎn)USB串口，便于生產(chǎn)人員對(duì)裝置進(jìn)行出廠參數(shù)設(shè)置。RS-485串口能夠支持較多的通信支點(diǎn)。信號(hào)從MSP430F5436的UART串口輸出后，由于其驅(qū)動(dòng)能力較弱，系統(tǒng)利用74HC04反相器提高其通信驅(qū)動(dòng)能力［7］。MAX485與MSP430F5436之間利用光隔離芯片保護(hù)單片機(jī)的UART串口。當(dāng)大壩傳感器現(xiàn)地測(cè)量裝置和上位機(jī)之間的距離超過(guò)1 km時(shí)，可以使用光端機(jī)將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信?？紤]到通信口對(duì)大壩實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)的重要性，本系統(tǒng)特意設(shè)計(jì)了通信口防雷通道，用于保護(hù)通信口免遭雷擊和強(qiáng)電沖擊［8］。

圖6 RS-485通信電路Fig.6 RS-485 communication circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量模塊的低功耗實(shí)現(xiàn)

由于在很多情況下，測(cè)量模塊都是在電池供電的場(chǎng)合長(zhǎng)時(shí)間工作，這就要求測(cè)量模塊的工作和待機(jī)功耗要盡可能小。根據(jù) MSP430F5436的控制位 SCG0、SCG1、OscOff和CUPOff，可以配置成LMP0～LMP5六種不同的低功耗工作模式［9］。通過(guò)控制位進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，并通過(guò)中斷方式回到活動(dòng)模式。由于單片機(jī)各個(gè)模塊的運(yùn)行完全是獨(dú)立的，其定時(shí)器、輸入/輸出口、A/D轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要主CPU工作時(shí)，任何一個(gè)模塊都可以通過(guò)中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由于土工大壩等建筑物距離遠(yuǎn)，通信波特率要求不高(一般為1200 bit/s、2400 bit/s，很少使用9600 bit/s)，因此，系統(tǒng)使用輔助時(shí)鐘ACLK作為UART口的工作時(shí)鐘。當(dāng)裝置待機(jī)時(shí)，可以關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK和子系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK，從而進(jìn)入LMP3低功耗模式。經(jīng)實(shí)測(cè)，測(cè)量模塊的工作電流為非低功耗模式下的1/320，達(dá)到了1.2 μA。由于測(cè)量模塊具有定時(shí)測(cè)量功能，本系統(tǒng)使用的是定時(shí)器TIMER_A，其工作時(shí)鐘同樣也是ACLK。當(dāng)測(cè)量模塊處于LMP3低功耗工作模式下時(shí)，模塊仍能實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量。

2.2 A/D采樣的軟件實(shí)現(xiàn)

串口通信是大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。串口通信流程如圖7所示。由于系統(tǒng)有多個(gè)測(cè)量模塊，因此需要通過(guò)上位機(jī)對(duì)測(cè)量模塊的通信口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置［10］。

圖7 串口通信流程圖Fig.7 The flowchart of serial communication

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試該系統(tǒng)的精確度和可靠性，采用SQL-5電橋率定器提供標(biāo)準(zhǔn)的電阻比值以及電阻和值。該測(cè)量模塊在21℃環(huán)境下所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

從表1可以看出，該系統(tǒng)測(cè)得的電阻和平均值誤差為0.000019，電阻和平均分辨率為0.011 Ω，均遠(yuǎn)小于《國(guó)家電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1124-2009》所規(guī)定的電阻比不大于0.0001和電阻不大于0.02 Ω，從而證明了該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于MSP430F5436低功耗單片機(jī)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)差阻式傳感器的特點(diǎn)和工程實(shí)際應(yīng)用［11-14］，設(shè)計(jì)了相關(guān)的通道切換、A/D采樣、串口通信等電路。該系統(tǒng)充分利用MSP430芯片強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)資源［15-18］，完成了傳感器所輸出物理量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理。此外，系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、可靠性好、功耗低等特點(diǎn)，從而為智能化大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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