基于PSTN的遠程水庫水位監(jiān)測系統(tǒng)設計

兀偉，馮楠，郗柯慶

（1 西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西西安710032；2.中國航天動力技術研究院401所，陜西西安710025）

對上游水庫水情的可靠準確掌握是實現(xiàn)灌區(qū)配水調度、科學管理的先決條件，水情信息主要是靠人工完成，人為因素影響較大，做不到準確及時的掌握。因此，某灌區(qū)管理局擬對其上游三座水庫進行水庫水位的遠程遙測，鑒于水庫均處于山區(qū)，用無線傳輸?shù)姆绞绞褂梅奖?，但信號強度可能不穩(wěn)定，因而采用有線方式。有線方式種類較多，主要有雙絞線（如網線、電話線）、同軸電纜和光纖等，專用電纜的鋪設一次性投資較高，運行期間需專業(yè)人員維護。而采用租用電纜的方式則可免去一次性投資的費用，也不用聘用專業(yè)職員，而且在通信數(shù)據(jù)量不大的情況下，運行成本低。因此，本方案在通信方式上采用租用電話線，即PSTN方式[1-3]。

1 系統(tǒng)組成

和遙測終端的電路類似。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

2 單元電路

本遙測系統(tǒng)由超聲波水位傳感器、采集前端機、電信交換機和調度站遙測終端組成，如圖1所示。超聲波傳感器采集水位信息，采集前端機對超聲波傳感器測到的水位信號進行編碼，并通過電話線傳送到調度中心，前端機工作模式為被動式，即不進行自動上報水位，等待調度站的遙測指令，若收到正確的遙測指令立即將采集的數(shù)據(jù)傳到調度中心；調度站遙測終端由人工操作，只要按下招測鍵即可在液晶顯示器上顯示水庫水位。本文研究遙測終端的通訊部分，采集終端

2.1 硬件系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要分2部分，即遙測終端和采集前端機，兩者之間雙工通訊，其通訊電路基本相同，本文主要對其通信電路進行詳細的論述。每個單元電路框圖如圖2所示，主要包括CPU、電話來電振鈴檢測、模擬摘機、編碼和解碼、語音提示電路以及其他電路[4]。其他電路包括液晶顯示驅動電路、鍵盤掃描電路和數(shù)據(jù)采集電路。下面對幾個主要模塊電路詳細地進行論述。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

2.2 振鈴檢測電路

公用電話網的傳輸線路為二線模擬線路，采用直流環(huán)路信號方式，能向模擬話機提供直流饋電、振鈴信號、話音數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、雙音頻數(shù)據(jù)等。我國規(guī)定的標準為，話機在不通話時，電話線中的直流電壓是48 V。當有電話呼入時，同時還有（25±15）V、25 Hz的正弦信號加在電話線上，所以向用戶振鈴的鈴流電壓為（75±15）V、25 Hz的交流電壓。振鈴以5 s為周期，即1 s送，4 s斷。振鈴檢測電路如圖3所示。當該信號進入振鈴檢測電路后，首先用電容C41進行隔直，交流信號經過穩(wěn)壓管VD41降壓30 V，然后輸入到光電耦合器進行轉換，電阻R41起限流作用。光電耦合器輸出的信號可以直接被CPU檢測。

圖3 振鈴檢測電路Fig.3 Ring detection circuit

2.3 模擬摘機電路

當系統(tǒng)檢測到有振鈴，且振鈴次數(shù)為3次，就“接通”電話，這里采用模擬摘機電路，如圖4所示。用戶話機的摘掛機狀態(tài)，是通過對直流環(huán)路上電流的通斷來實現(xiàn)的。用戶掛機時，直流環(huán)路開路，電流為0；反之，用戶摘機后，直流環(huán)路接通，饋電電流在20 mA以上。因為程控電話交換機對電話摘機的響應，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經摘機。圖4中，NPN三極管VQ202接收到CPU控制端發(fā)出的高電平就開通，然后將PNP三極管VQ201的基極電位拉低，VQ201開通，即直流環(huán)路接通，R203（300 Ω）是限流電阻，B201是整流橋，保證VQ201一直開通[5]。

圖4 模擬摘機電路Fig.4 Simulating offhooking circuit

2.4 編碼譯碼電路

編碼譯碼電路采用MITEL公司的低功耗、高穩(wěn)定性芯片MT8880，這是一個帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號收發(fā)器。DTMF信號的接收部分采用DTMF信號接收單片機MT8870的工業(yè)制造標準；發(fā)送部分采用開關電容進行D／A轉換發(fā)送高精度、低畸變的DTMF信號。內部寄存器提供一個群模式。在雙音頻群模式下DTMF信號可以通過精確的時序被發(fā)送出去?？蛇x擇呼叫處理濾波器讓一個微處理器處理呼叫音頻信號。圖5是編碼解碼電路，IN+、IN-分別為內部放大器的同相輸入端和反相輸入端，即接收DTMF信號的輸入端，本設計采用單端輸入；GS是內部放大器的輸出端，R10和R11可調節(jié)增益；信號的耦合方式上采用阻容隔離，由C10來實現(xiàn)；OSC1和OSC2是TDMF時鐘輸入端，Y1是石英晶體時鐘，頻率為3.579 545 MHz；TONE是雙音頻信號輸出端；R/W是讀寫控制端，RS0是內部寄存器控制端，用于操作內部寄存器；IRQ/CP在雙音頻模式并且在中斷模式（IRQ）時，當收到有效DTMF信號或準備發(fā)送DTMF信號時該端由高電平變到低電平；在呼叫處理模式（CP）且檢測到有效信號音時，該端輸出方波；D0-3是寫入命令或讀出狀態(tài)的數(shù)據(jù)線。

圖5 編碼解碼電路Fig.5 Coding and decoding circuit

2.5 CPU及其最小系統(tǒng)

CPU采用silicom公司的單片機C8051F021，這是一款混合信號ISP FLASH、高速8051內核的微控制器[6]。片內集成多路12位和8位ADC，為數(shù)據(jù)采集提供方便；4個8位雙向IO口可直接控制鍵盤輸入、液晶輸出、聲音播放、模擬摘機、振鈴檢測、譯碼和解碼芯片而無需外擴IO口；片內JTAG調試電路可進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。該調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。圖6是單片機的最小系統(tǒng)。U1是單片機；其P0口主要是多功能口，有2個串口（與人機界面通訊，與傳感器通訊）、1個I2C口（用于EEPROM）、中斷入口（振鈴檢測）和1個通用IO口（模擬摘機）；P1口主要完成和MC8880的通訊；P2口和部分P3和ISD1420相連；AD口可連接傳感器；另外，還有復位電路（由圖6中R1、R2、C3和C4組成），J1接口是JTAG接口用于調試和下載程序，振蕩電路（由X1、C1和C2組成）。

圖6 單片機及其最小系統(tǒng)Fig.6 MCV and it's smallest microcontroller system

2.6 其他電路

除了上述的CPU和PSTN通訊部分電路外，本系統(tǒng)還有電源電路、信號調理部分、存儲電路和串口電平轉換電路，由于篇幅有限不在這里論述。

3 結論

本文提出的方案和具體電路在陜西某灌區(qū)進行了試驗，經過30天的不間斷工作，結果表明，該方案是可行的也是可靠的，硬件電路是正確的，可達到無人值守或少人值守的要求，為后續(xù)進一步生產推廣提供技術保障。

[1]付麥霞，廉飛宇，張?zhí)鞓?基于CPLD和PSTN的智能家居控制系統(tǒng)的設計[J].中國西部科技，2007，6（9）:83-84.

FU Mai-xia，LIAN Fei-yu，ZHANG Tian-le.Design of intelligent home control system based on CPLD and PSTN[J].Science and Technology of West China，2007，6（9）:83-84.

[2]吳佳，王萍，陸永健.基于PSTN的嵌入式水情數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].河海大學常州分校學報，2005，19（3）:52-55.

WU Jia，WANG Ping，LU Yong-jian.Transmission system of embedded water data information based on PSTN[J].Journal of Hohai University Changzhou，2005，19（3）:52-55.

[3]姚傳安.基于PSTN網的單總線分布式溫濕度采集系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制，2006，14（12）:1748-1750.

YAO Chuan-an.Design of 1-wire bus distributed temperature and humidity acquisition system based on PSTN[J].Computer Measurement and Control，2006，14（12）:1748-1750.

[4]許亮華，郭永剛，張進.基于PSTN的大壩遠程強震監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議設計與實現(xiàn)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2009，33（6）:65-68.

XU Liang-hua，GUO Yong-gang，ZHANG Jin.Design and realization of communication protocol in PSTN based remote strong earthquake observation system[J].Hydropewer Automation and Dam Monitoring，2009，33（6）:65-68.

[5]嚴麗平，袁可風.基于PSTN的電話遠程控制器的研究[J].華東交通大學學報，2005，22（1）:118-121.

YAN Li-ping，YUAN Ke-feng.Research of remote controller using telephone based on PSTN[J].Journal of East China Jiaotong University，2005，22（1）:118-121.

[6]樊昌元，羅霞，文成玉.基于PSTN的智能遠程控制器[J].成都信息工程學院學報，2004，19（2）:202-204.

FAN Chang-yuan，LUO Xia，WENG Cheng-yu.Remote controller based on PSTN[J].Journal of Chengdu University of Information Technology，2004，19（2）:202-204.