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

倪康婷（1981－）
女，北京交通大學碩士研究生，主要研究方向為智能儀器。

1  引言

    在一些現場環境惡劣的情況下，操作人員無法到達現場而必須遠距離的采集或控制模擬信號，需要進行遠距離傳輸。然而，由于工業現場的各種干擾，信號經電纜傳輸很遠后，會因為干擾使信號嚴重失真，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，會產生很大的接地環路電流，對設備及操作人員的安全構成極大的威脅。

    本文筆者引入這樣一個光纖隔離數據變送器，目的是把前方的電壓采集后隔離傳輸到后端并轉換成為后端可以接受的電壓范圍。其主要包括現場的數據采集，現場和后端數據通信以及后端數據還原、處理三部分。

    本數據變送器的技術指標如下：

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：連續采集；
傳輸距離：約2000m。

2  系統構成

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

圖1  前端電路結構框圖


圖2  后端電路結構框圖

3  系統部分硬件設計

    (1)  量程自動切換

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

    預先置PGA202的控制端(P1.3、P1.4)以及單片機內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。

    (2)  信號傳輸過程

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

    被傳送的數字信號通過光纖傳輸，由光接收器接收，經過電平判定、整形后進入HD-15530解碼后再經由兩片串/并芯片74HC164送入單片機；單片機收到帶著量程信息的數據包，提取數據，量程通過LED進行顯示，同時把收到的12位的數字信號轉換成為模擬信號，最后經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”，電壓的負跳變表示“1”。由于跳變都發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碼編碼器用于機載數據總線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，標識幀的開始。當前1.5 bit為高電平，后1.5 bit為低電平時表示命令/狀態字，前1.5 bit為低電平，后1.5 bit為高電平時表示數據字。4～19 bit為編碼器接收到的待編碼數據，20 bit為校驗位，對4～19 bit進行奇偶校驗。由于曼徹斯特II碼發送一個字是16位，這里使用兩片74HC165并/串移位寄存器，在高8位數據編碼后及時輸入低8位數據，保證正常傳送一個16位的字。本系統采用單片機的T1對發送位進行計數，發送完高8位，產生中斷。在中斷服務程序中，輸入低8位數據。接收時，接收到的信號送15530芯片，經曼徹斯特譯碼器譯碼后，在譯碼移位時鐘的作用下，把數據輸入到串/并移位寄存器74HC164，每接收8位數據，單片機就產生一個中斷，取走這8位數據。

    (4)  光纖隔離

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

圖3  HFBR-1414的驅動電路

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

圖4   HFBR-2416的驅動電路

4  系統的調試與實現

    C8051F000具有片內JTAG和調試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統中的產品器件就可以進行非侵入式的全速在系統調試。

T：每小格為100μs
圖5  被采樣波形與輸出波形對比圖

    系統經過調試，各項指標完全滿足設計要求。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  結論

    系統采用光纖傳輸數字信號，有效隔離了后端控制室與前端的惡劣的采集環境，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，系統大大避免了傳輸過程中周圍惡劣環境的干擾，提高了傳輸距離；采用Manchester碼代替NRZ碼傳輸數字信號，避免了信號輸出基線漸移的現象，減少了直流分量，誤碼率降低；采用片內的PGA與PGA202共同實現了量程的自動轉換，提高了系統精度。

    本系統適用在遠距離數據采集，前端現場環境惡劣，前后端地電位差相差很大，對速度要求并不是很高的場合（工業自動控制、測量儀器儀表、電力系統等）。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行串行數據的傳輸來實現。

參考文獻
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[4]  HD15530 Datasheet[DB/0L]. http://www.21ic.com.