差阻式傳感器的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

邵燦輝 何國云 倪維東

(南京河海南自水電自動化有限公司，江蘇 南京 210032)

0 引言

差阻式傳感器利用儀器內部的彈性鋼絲作為傳感器原件，將儀器受到的物理量轉變?yōu)槟M量。根據差阻式傳感器測量原理，實現(xiàn)了差阻式儀器在大壩安全監(jiān)測等水利設施中的廣泛應用［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，設計了大壩監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對多路差阻式傳感器電阻比值、電阻和值的精確測量以及裝置的低功耗運行。同時，該系統(tǒng)利用大容量Flash存儲芯片實現(xiàn)所有測點數(shù)據2048次定時數(shù)據的存儲，延長了數(shù)據讀取周期，減少了值班人員的工作量［3］。電阻比值(R1/R2)。由于電流只流過藍白兩線，而黑紅綠三線無電流，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，儀器測量與電阻差變及電纜芯線電阻大小無關［4］。

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

1 硬件設計

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of the monitoring system

差阻式傳感器可以用兩個串聯(lián)的電阻來表示，如圖1所示。圖1中，R1為外圈鋼絲的電阻，R2為內圈鋼絲的電阻。根據電橋測量原理對差阻式傳感器進行測量，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

根據土工大壩安全監(jiān)測的需要，一般需要埋設大量的差阻式傳感器。這就需要監(jiān)測儀器能同時檢測大量的傳感器數(shù)據。所有傳感器與A/D測量通道之間通過通道切換電路來控制多路信號線的導通或切斷，實現(xiàn)傳感器的測量。

由于差阻式傳感器是五線制，故需要選用三個含兩個常開觸點的繼電器進行傳感器的接通與切斷。通過DB15針公母頭連接四個通道切換模塊，每個通道切換模塊能接八個傳感器，則該監(jiān)測系統(tǒng)中的一塊CPU模塊能同時檢測32個差阻式傳感器。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單片機的普通I/O口輸出電平為3.3 V，而外圍驅動繼電器線圈電壓為5 V，因此需要通過電平標準轉換芯片ISO7241A進行電平轉換。同時該芯片還可以起到信號隔離作用，保護單片機避免強電輸入。該系統(tǒng)選用SN74LVC138譯碼器來選擇所需測量通道，然后通過達林頓管驅動信號繼電器切入所需測量的傳感器通道。通道切換電路的設計充分實現(xiàn)了多路傳感器的選擇測量。

1.2 A/D 采樣電路

為了實現(xiàn)對差阻式傳感器的高精度測量，該監(jiān)測系統(tǒng)選取24位高精度采樣芯片ADS1248。采樣電路通過SPI同步串口與 MSP430F5436進行數(shù)據通信［5-6］;工作電平為5 V，并利用電平標準轉換芯片ISO7241A實現(xiàn)通信線和控制線的電平轉換和隔離。ADS1248芯片不僅具有很高的采樣精度，還可以提供穩(wěn)定的內部基準電流源和內部基準電壓源。由于ADS1248芯片還具有內部信號放大的功能，因此，在信號測量電路中省略了信號放大電路，避免了因信號放大而產生的不必要的信號諧波。該系統(tǒng)采用ADS1248內部可選信號增益放大器PGA，其增益倍數(shù)可以靈活設置，最高增益可達128倍。若選擇較大的增益倍數(shù)，會造成A/D采樣分辨率的下降;而增益設置過小，則會導致測量數(shù)據精確度下降。經過多次試驗對比和統(tǒng)計，在此A/D采樣設置中設置采樣增益為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

由于該測量系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，而大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)要求采樣數(shù)據時刻保持高精度性、高穩(wěn)定性，數(shù)據不能發(fā)生無規(guī)律的跳動，這就需要提供后備的基準電壓參考源。此外，該系統(tǒng)還設計了A/D采樣芯片的外部電壓基準源，其電路如圖5所示，其輸出基準電壓為2.048 V。當在惡劣工作環(huán)境長時間工作時，A/D芯片內部基準可能由于芯片發(fā)熱或者運行負荷過大，容易造成內部基準電壓不準確，這時就可以利用外部基準電壓保證傳感器測量精度。當外部基準電壓電路因芯片發(fā)生老化或損壞時，也可以使用A/D內部基準電壓，實現(xiàn)了芯片內部外部基準電壓的互備，保證了系統(tǒng)測量精度和穩(wěn)定性。

圖5 外部基準電壓電路Fig.5 External reference voltage circuit

1.3 串口通信電路

根據目前大壩安全監(jiān)測的形式，大壩自動化產品需要能夠實現(xiàn)遠方計算機在線監(jiān)測和控制功能。對現(xiàn)地設備而言，間隔長時間巡查是常態(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)利用單片機的兩個UART口實現(xiàn)RS-485串口與上位機的遠距離通信，其雙RS-485串口便于與上位機通信冗余。利用一個UART口轉USB串口，便于生產人員對裝置進行出廠參數(shù)設置。RS-485串口能夠支持較多的通信支點。信號從MSP430F5436的UART串口輸出后，由于其驅動能力較弱，系統(tǒng)利用74HC04反相器提高其通信驅動能力［7］。MAX485與MSP430F5436之間利用光隔離芯片保護單片機的UART串口。當大壩傳感器現(xiàn)地測量裝置和上位機之間的距離超過1 km時，可以使用光端機將RS-485信號轉成光信號進行遠距離通信。考慮到通信口對大壩實時安全監(jiān)測的重要性，本系統(tǒng)特意設計了通信口防雷通道，用于保護通信口免遭雷擊和強電沖擊［8］。

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

2 軟件設計

2.1 測量模塊的低功耗實現(xiàn)

由于在很多情況下，測量模塊都是在電池供電的場合長時間工作，這就要求測量模塊的工作和待機功耗要盡可能小。根據 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］。通過控制位進入相應的工作模式，并通過中斷方式回到活動模式。由于單片機各個模塊的運行完全是獨立的，其定時器、輸入/輸出口、A/D轉換、看門狗等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當需要主CPU工作時，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，由于土工大壩等建筑物距離遠，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)使用輔助時鐘ACLK作為UART口的工作時鐘。當裝置待機時，可以關閉系統(tǒng)時鐘MCLK和子系統(tǒng)時鐘SMCLK，從而進入LMP3低功耗模式。經實測，測量模塊的工作電流為非低功耗模式下的1/320，達到了1.2 μA。由于測量模塊具有定時測量功能，本系統(tǒng)使用的是定時器TIMER_A，其工作時鐘同樣也是ACLK。當測量模塊處于LMP3低功耗工作模式下時，模塊仍能實現(xiàn)定時測量。

2.2 A/D采樣的軟件實現(xiàn)

串口通信是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。串口通信流程如圖7所示。由于系統(tǒng)有多個測量模塊，因此需要通過上位機對測量模塊的通信口進行參數(shù)設置［10］。

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

3 試驗結果

為了測試該系統(tǒng)的精確度和可靠性，采用SQL-5電橋率定器提供標準的電阻比值以及電阻和值。該測量模塊在21℃環(huán)境下所測得的試驗數(shù)據如表1所示。

表1 試驗數(shù)據Tab.1 Test data

從表1可以看出，該系統(tǒng)測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，均遠小于《國家電力標準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)具有設計的合理性和實用性。

4 結束語

本文提出了一種基于MSP430F5436低功耗單片機的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，并根據差阻式傳感器的特點和工程實際應用［11-14］，設計了相關的通道切換、A/D采樣、串口通信等電路。該系統(tǒng)充分利用MSP430芯片強大的處理能力和豐富的片內資源［15-18］，完成了傳感器所輸出物理量的實時檢測和處理。此外，系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性好、功耗低等特點，從而為智能化大壩監(jiān)測系統(tǒng)奠定了基礎。

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