便攜式位置探測儀信號接收裝置電路設(shè)計

沈金鑫，夏 靜

（南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

在對航空輸油管線進行清管作業(yè)過程中，清管器會在管道轉(zhuǎn)彎等處發(fā)生卡堵，為了快捷地找到其卡堵位置，在清管器內(nèi)安裝信號發(fā)射裝置，連續(xù)發(fā)射出電磁脈沖信號，通過地面探測儀接收，可以指示出清管器的運行位置。一旦因管線內(nèi)部出現(xiàn)情況而造成清管器卡堵在管線內(nèi)，通過地面探測儀跟蹤發(fā)射的信號，可找到其卡堵位置并精確定位，這為管線清理的故障排除提供一個準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

接收裝置分為兩套設(shè)備，即接收傳感器和信號處理設(shè)備。接收傳感器由工作人員握在手里進行探測，信號處理設(shè)備由工作人員背在肩上。工作人員背著信號處理設(shè)備，手持接收傳感器沿著管道前進，在發(fā)射裝置發(fā)射的信號的有效發(fā)射范圍內(nèi)，接收傳感器會感應(yīng)到該信號，將該信號接收并傳送至信號處理設(shè)備。信號處理設(shè)備對信號進行解碼、識別，如果是所發(fā)射的信號則報警并顯示找到目標(biāo)。接收裝置必須完成兩個功能：一方面它要對信號進行放大、濾波、解碼及識別；另一方面還要對信號的強弱進行測量，從而可以估算清管器卡堵位置與接收裝置之間的距離，這樣工作人員就可以判斷出清管器的大概方位。

接收裝置屬于便攜式設(shè)備，操作者隨身攜帶，這就要求其體積小、重量輕、續(xù)航時間長。為了減少探測儀的體積和重量，應(yīng)盡量使用貼片元件、功能集成的IC和減小元件之間的布線距離。比如Microchip公司的PIC單片機就把CPU、ADC和脈寬調(diào)制等功能集成起來，使其成為一個獨立單片系統(tǒng)[1]。選擇功能集成的芯片對于儀器的低功耗設(shè)計也是很有好處的。電路板布線時，在滿足抗干擾性的條件下，盡量把元器件擠在一起。布線不通時盡量考慮增加線路板的層數(shù)，而不是擴大面積。另外與一般儀器不同，為了有效的利用空間，便攜式儀器的線路板在設(shè)計時就要考慮到其使用情況，在電路特性允許的情況下，布局布線和線路板形狀等都盡可能地兼顧外殼設(shè)計。

1 接收裝置電路原理及設(shè)計

接收裝置電路主要包括以下幾個部分，即電源電路、電源電壓檢測電路、主從MCU電路、從MCU開關(guān)電路、實時時鐘電路、EEPROM接口電路、信號接收電路、前置放大電路、濾波放大電路、施密特觸發(fā)器、解碼模塊接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、上電自檢電路、液晶顯示接口電路、報警電路。系統(tǒng)由電源電路產(chǎn)生各個芯片所需要的工作電壓及參考電壓；由主從MCU電路控制各個部分的協(xié)調(diào)工作。

1.1 電源電路

電源電路給接收裝置的所有元件提供工作電壓。儀器電路有各種各樣的芯片，因此需要的電壓也較多，累計有±15 V電壓（為放大濾波等電路提供工作電壓），+5 V電壓（為MCU等芯片提供工作電壓），+2.5 V電壓（為編碼模塊提供參考電壓）。這些電壓都是從接收裝置上自帶的+6 V電池經(jīng)過轉(zhuǎn)換分壓后獲得，接收裝置的電源電路如圖1所示。

圖1 接收裝置電源電路圖Fig.1 Frame chart of the receiver

1.2 電源電壓檢測電路

電源電壓檢測[2]是比較重要的部分，防止電源在低能量水平下運行時的不可靠性，預(yù)先的檢測可以估計電池的續(xù)航時間。當(dāng)電池低于最低限度時候發(fā)出警告，以提示工作人員及時更換電池。在接收裝置中利用繼電器進行外界信號和電池電壓信號的切換，繼電器的輸出端接至ADC的輸入端，輸入端中常開節(jié)點接電池的輸出端，常閉端接在外界信號的輸出端，在需要檢測電源電壓時，由從MCU控制繼電器吸合，電源電壓送給ADC輸入端，這樣ADC測出的電壓就是電池的電壓。

1.3 主從MCU電路

接收裝置的主MCU （AT89C2051）電路和從MCU（W78E58BP）電路的時鐘電路和復(fù)位電路相同。

1）時鐘電路

考慮到本系統(tǒng)沒有可用的時鐘而且沒有必要取得時鐘上的同步，因此本接收裝置的時鐘電路采用內(nèi)部方式。外接晶振以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，這時內(nèi)部振蕩器會產(chǎn)生自激震蕩。外接電容C1和C2通常選擇為30 pF左右，外接陶瓷諧振器時，C1和C2的典型值約為47 pF。在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶振元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。圖2為內(nèi)部方式時鐘電路圖。

圖2 時鐘電路Fig.2 Clock circuit

2）復(fù)位電路

復(fù)位電路的核心就是必須保證RST引腳上出現(xiàn)10ms以上穩(wěn)定的高電平，這樣才能實現(xiàn)可靠的復(fù)位。該接收裝置不需要開關(guān)復(fù)位，只需要上電復(fù)位即可。

1.4 從MCU開關(guān)電路

接收裝置含有主從MCU，主MC U在目標(biāo)尋找工作中擔(dān)負著主要的信號識別任務(wù)。在沒有信號的時候，從MCU停止工作，這樣可以節(jié)省電能，延長尋找時間，增加成功尋找目標(biāo)的可能性，從MCU的打開和關(guān)閉是由主MCU控制開關(guān)三極管來實現(xiàn)的，電路設(shè)計簡單，實現(xiàn)方便。

1.5 實時時鐘電路和EEPROM接口電路

接收裝置選用DS1307作為實時時鐘芯片[3]，用AT24C02作為EEPROM來保存儀器使用中的各種信息，這兩種芯片都是串行I2C總線芯片，其接口電路相似，使用從MCU模擬I2C時序，接口電路如圖3所示。

圖3 DS1307、AT24C02和MCU的接口電路Fig.3 Interface circuit of DS1307，AT24C02 and MCU

1.6 信號接收電路及前置放大電路

信號接收傳感器只負責(zé)信號的接收工作，前置放大電路的作用一方面是初級放大輸入信號，另一方面是給輸入電路提供很高的輸入阻抗。輸入阻抗越大，對被測電路工作狀態(tài)的影響越小，輸入越準(zhǔn)確，同時信號源的負擔(dān)也越輕，這樣才不至于受到信號傳感器阻抗的影響。前置放大電路的主要組成是同向比例放大電路，如圖4所示。

圖4 信號接收及前置放大電路Fig.4 Amplifier circuit of signal receiving

1.7 濾波放大電路

從信號接收傳感器送來的信號往往是非常微弱的，而且含有雜波信號，為了取出有用的信號并抑制噪聲，必須對信號進行濾波。濾波電路中最重要的部件是濾波器。MAX260[4]系列芯片的編程輸入總線比較簡單，它包括2條數(shù)據(jù)線D1、D0和4條地址線A3—A0，另外還有一條寫允許控制線WR，通過主MCU（AT89C2051）的P0口對濾波器芯片進行參數(shù)設(shè)置，具體連接如圖5所示。在濾波器的輸出中，可能會由于邏輯輸入躍變而產(chǎn)生某些噪聲，所以在輸入端加了74HC374數(shù)據(jù)緩沖器來避免產(chǎn)生這種噪聲。

圖5 MAX260與MCU接口電路Fig.5 Interface circuit of MAX260 and MCU

1.8 施密特觸發(fā)器

外界信號經(jīng)過信號接收傳感器，再經(jīng)過濾波放大后的信號并不是很規(guī)則的正弦波信號，經(jīng)過施密特觸發(fā)器[5]后其輸出是很規(guī)則的方波信號，而頻率并沒有改變。適當(dāng)改變施密特觸發(fā)器的觸發(fā)電平，可以產(chǎn)生TTL電平所需要的脈沖信號，將這個信號送給主MCU，主MCU就可以對信號進行識別，從而可以探測目標(biāo)所在。

1.9 解碼模塊接口電路

該解碼模塊接線只需要4根即可，即OUT、CLK、CS、IN。AT89C2051不用的某個I/O口的3根線和編碼模塊中除IN外的3根線連起來即可。

1.10 A/D轉(zhuǎn)換電路

選用A/D芯片MAX195，圖6為ADC與MCU的接口電路[6]。MCU和MAX195的接口電路簡單，只需MCU兩根線就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，MAX195的輸出需要引回到MCU，從而對其輸出的數(shù)字量進行處理。其中MAX195的1腳即BP/UP/SHDN懸空表示雙極性輸入，正負信號都可以進行轉(zhuǎn)換。

圖6 ADC與MCU接口電路Fig.6 Interface circuit of ADC and MCU

1.11 上電自檢電路

上電自動檢測電路是系統(tǒng)上電時必須執(zhí)行的一個環(huán)節(jié)，用來檢測儀器的工作狀態(tài)是否正常。該塊電路實際上是由主從MCU共同實現(xiàn)的，自檢時主MCU通過自帶的編碼模塊產(chǎn)生和發(fā)射裝置所發(fā)射的同頻率同節(jié)拍的編碼信號，該信號送到信號接收傳感器，然后信號就像外部接收到的信號一樣經(jīng)過隔離、放大濾波，經(jīng)施密特觸發(fā)器并解碼送給從MCU，然后從MCU對該信號進行檢測，如果檢測成功則表示儀器工作狀態(tài)是好的。通過自檢電路可以檢測接收裝置中的主從MCU、施密特觸發(fā)器、編碼模塊、接收傳感器、濾波放大電路等等是否工作正常。

1.12 液晶顯示接口電路

內(nèi)藏T6963C的液晶顯示模塊與MCU的接口方法是間接連接方式[7]，即通過并行接口間接實現(xiàn)對液晶顯示模塊的控制。根據(jù)液晶顯示模塊的需要，并行接口需要一個8位的并行口和一個3位的并行口，如圖7所示。由該圖可知，W78E58BP的P0口作為數(shù)據(jù)口線，P3口中3位作為讀、寫及寄存器選擇信號。由于P0口只用于液晶顯示模塊，所以CE信號就直接接地了。

圖7 液晶顯示模塊接口電路Fig.7 Interface circuit of LCD module

1.13 報警電路

報警電路是當(dāng)接收裝置遇到以外情況（例如電池電量不足、產(chǎn)生故障）或接收到信號時向工作人員進行提醒，包括蜂鳴器的鳴叫和發(fā)光二極管的閃爍。用蜂鳴器的鳴叫次數(shù)并配以發(fā)光二極管的閃爍次數(shù)來提示遇到的情況，同時可以從液晶顯示器上獲得探測的信息。

2 結(jié) 論

該探測儀信號接收裝置的電路設(shè)計，經(jīng)過調(diào)試，其可靠性和各項性能指標(biāo)已經(jīng)達到設(shè)計要求。電路中大量應(yīng)用單電源低功耗芯片和貼片式元器件，節(jié)省了電源的使用，降低功耗，而且減少了元器件的數(shù)量，使得電路板小巧、輕便，實現(xiàn)了便攜式的要求。經(jīng)樣機試驗測試，該探測儀可以在半徑6m的范圍內(nèi)識別發(fā)射器發(fā)射的電磁脈沖信號，并能夠?qū)崿F(xiàn)清管器位置的準(zhǔn)確定位。

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