一種海洋傳感器的電力線載波數據采集傳輸系統*

章雪挺，翁大平，劉敬彪，沈張一

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

以電力線載波為載體的船載數據傳感器采集與傳輸系統，可以實現水下模塊5 路電壓，5 路電流和15 路壓力傳感器數據的獲取和顯示，以及傳輸誤碼率測試。國外很早就研究了電力線載波通信技術，很多公司同時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準。國內目前在電力線載波芯片的研制方面沒有較大成果，主要應用電力線載波模塊在遠程抄表、智能家居等領域［1］。

本文提出的將電力線載波模塊應用于500 VAC 的船載數據采集傳輸系統，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，同時可以測試水下模塊和甲板模塊的誤碼率，并實現500 VAC 輸出可控，對監測船載阻性負載的狀態和保證船載工作平臺安全性具有深遠意義。

1 系統結構

500 VAC 電力線載波船載數據采集傳輸系統的整體結構示意圖如圖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、改進的KQ130485F 模塊、傳感器組和人機交互監測平臺。

本系統主要分為甲板單元、水下單元和人機交換監測平臺，其中甲板單元通過接收上位機發送的“打開輸出1”和“打開輸出2”指令來控制繼電器，實現2 路24 VDC/0.8A輸出;甲板單元通過接收上位機發送的“系統供電”指令來控制固態繼電器實現500 VAC 輸出可控。甲板單元連接改進的KQ130485F模塊為數據接收端模塊，即負責接收從水下單元采集的傳感器數據，再將數據發送至人機交換監測平臺顯示。

圖1 系統結構示意圖Fig 1 Structure diagram of system

水下單元主要負責采集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 路的數據采集，需使用2 片STM32F107 同時工作來完成數據采集的任務。水下單元連接改進的KQ130485F 模塊為數據發送端模塊，即負責將采集到的傳感器數據發送到甲板單元。由于壓力傳感器為二線制連線方式，輸出信號為4～20 mA 的電流信號，在AD采集前端需要通過電流/電壓轉換電路將電流信號轉換為電壓信號后，單片機內部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

人機交互平臺主要完成3 個任務:25 路傳感器數據的顯示、3 路電壓控制開關和通信鏈路誤碼率測試。

2 系統硬件

在220VAC 電力線載波模塊KQ130485F 的基礎上，通過研究改進，實現了500 VAC 電力線載波數據傳輸的應用。改進的KQ130485F 模塊在500 VAC 和強干擾、遠距離的環境下，能夠可靠地傳送數據。改進的KQ130485F 載波模塊包括了載波驅動、耦合、濾波、防雷擊等復雜的外圍電路。用戶只需要提供12 V 電源，2 根485 信號線，通過RS—485信號線與STM32 單片機系統相連來獲取待傳輸或待接收的數據，數據傳輸波特率固定為9 600 bps;通過模塊的2 個AC 端直接連接到500 V(不分零線，火線)來實現電力線傳輸通道的連接［2］。

本系統中共使用到3 臺交流變壓器，其中220 ～30 VAC/100W變壓器用于甲板單元的系統供電模塊;500～15 VAC/100W 變壓器用于水下單元的系統供電模塊;220～500 VAC/3000W 變壓器用于實現在500 VAC 電壓上數據傳輸。

本系統中2 路24 VDC/0.8A 的可控輸出是通過繼電器JZC—32F 012—ZS3(555)來實現，此繼電器的吸合電壓是+12 V，額定電流為3 A，觸點切換電壓為250 VAC30 VDC，觸點切換電流為3A［3］。本系統中500 VAC 的可控輸出是首先通過控制繼電器JZC—32F 012—ZS3(555)來實現+24 V電壓的可控輸出，然后將+24 V 可控電壓接入固態繼電器LRSSR—DA 來實現220 VAC 電壓的可控輸出，最后將220 VAC可控電壓接入220～500 VAC 變壓器實現500 VAC電壓的可控輸出。固態繼電器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［4］。

本系統中微處理器選用ST 公司32 bit 單片機STM32F107VCT6。這種單片機集成了各種高性能工業標準接口，72 MHz 運行頻率，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64 kB 的SRAM，內部AD 輸入通道多達16 個，豐富的定時器資源和串口資源完全滿足本系統設計的資源要求［5］。

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

3 系統軟件設計

本系統軟件設計包括三大部分:甲板單元接收上位機命令程序、水下單元采集發送傳感器數據程序以及上位機數據顯示和誤碼率校驗程序，本設計程序中下位機代碼均在KEIL 下編譯、調試，上位機代碼均在Microsoft Visual Studio 2008 下編譯、調試。

3.1 甲板單元接收上位機命令程序設計

甲板單元程序設計可以分為以下3 個步驟:

1)系統初始化

上電后，對系統時鐘，I/O 口，USART 進行初始化配置。

2)KQ130485F 模塊接收數據準備

甲板單元的KQ130485F 模塊采用RS—485 協議進行數據傳輸，因此，需要接RS—485 轉RS—232 模塊后才能將數據發送至上位機。

3)實時接收上位機發送命令并執行動作

甲板單元接收上位機發送的3 種命令幀，對應執行3 種不同的動作，命令幀和執行動作的對應關系如表1 所示。

表1 命令幀和執行動作示意圖Tab 1 Command frame and execute actions

甲板單元接收上位機命令程序設計流程圖如圖3 所示。

圖3 甲板單元程序設計流程圖Fig 3 Flowchart of deck unit programming

3.2 水下單元采集發送傳感器數據程序設計

水下單元程序設計可以分為以下3 個步驟:

1)系統初始化

上電后，對系統時鐘，I/O 口，USART 和AD 進行初始化配置。

2)KQ130485F 模塊發送數據準備

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 模塊發送到甲板單元，水下單元通過RS—485 協議把數據傳送給KQ130485F 模塊。

3)采集傳感器數據后以幀格式發送數據包

水下單元將采集到的傳感器數據按照“@#，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”的數據幀格式將數據打包后發送出去(*n代表第n 路傳感器數值)。水下單元程序設計流程圖如圖4 所示。

3.3 上位機數據顯示和誤碼率校驗程序設計

上位機程序設計可以分為以下3 個部分:

1)25 路傳感器數據顯示區

25 路傳感器數據顯示區由15 路壓力傳感顯示區和10 路負載狀態顯示區組成，數值支持浮點數值和整型數值。

圖4 水下單元程序設計流程圖Fig 4 Flowchart of underwater unit programming

2)可控電壓輸出控制區

可控電壓輸出控制區由系統供電、打開輸出1 和打開輸出2 組成。

3)誤碼率校驗區

誤碼率校驗區由顯示丟碼數、誤碼數、通信狀態、發送字符數、接收字符數、誤碼率、測試發送數據顯示、測試接收數據顯示、測試開始和測試暫停組成。上位機流程圖如圖5所示。

圖5 數據接收顯示和誤碼率測試Fig 5 Data reception display and bit error rate test

4 系統調試

在實驗室環境下，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;上位機通過RS—485 轉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

在實驗室模擬調試的基礎上，對系統實行為期一周的測試。測試條件:甲板單元和水下單元有線通信距離30 m，對電壓、電流和壓力傳感器數值進行測量20 次取平均值，測試結果如表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 傳感器組測試結果Tab 2 Test results of sensors group

結果表明:系統正常工作，達到預期的測試結果。

5 結 論

本文利用改進的KQ130485F 模塊實現了500 VAC 電力線載波船載數據采集傳輸系統。該系統在設計時還保留了一些AD輸入端接口，為以后對系統進行改進升級做好準備。同時系統通過上位機可以控制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關閉水下單元工作狀態，節省船載電量，從而可以提高水下單元持續工作時間。系統很好地滿足了船載數據采集傳輸要求，達到了預期的目標。

［1］ 張海亮.電力線載波技術在國內外的發展和應用［J］.電網技術，2006(10):1-2.

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

［3］ 深圳慶東科技發展有限公司.繼電器—JZC—32F/012—ZS3 的詳細說明［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任公司.2014 傳感器選型手冊［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥www.wb-my.com/service.asp?Title=%D7%CA%C1%CF%CF%C2%D4%D8.