在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測和控制中，電流參數(shù)的采集是最普遍最重要的項(xiàng)目之一,。在一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，測量現(xiàn)場距離較遠(yuǎn)且環(huán)境惡劣，計算機(jī)主控系統(tǒng)與測量裝置,、傳感器遠(yuǎn)離,。傳統(tǒng)的方法是采用長距離的電纜系統(tǒng)或通過無線電傳輸，但其成本較高或占用無線電頻率資源,。電力線載波技術(shù)很好地解決了這些問題,。它只需利用現(xiàn)有的電力線就能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利,。
　　隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使得實(shí)現(xiàn)低成本,、高精度,、高可靠性的電流數(shù)據(jù)采集，以電力線載波方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸成為可能,。在本系統(tǒng)中,，電流數(shù)據(jù)采集采用半導(dǎo)體磁阻式電流傳感器(MRCS)，單片機(jī)采用AT89C2051,，電力線載波通信采用LM1893芯片,。由于利用了電力線載波技術(shù)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集不需要重新布線而是使用現(xiàn)成的電力線,，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和復(fù)雜性,。因此這種系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域是非常實(shí)用的。
1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理
1.1 電流傳感器
　　利用銻化銦－銦(InSb-In)磁阻元件(MR)制成電流傳感器(MRCS)^[1],，這是一種基于磁阻效應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器,。它在保留霍爾電流傳感器優(yōu)良特性的同時，又具有結(jié)構(gòu)簡單,、靈敏度高,、體積小、線性度優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),。它的工作原理就是將通電導(dǎo)線周圍的磁場轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓信號,，其特點(diǎn)是能很好地對微弱電流信號進(jìn)行非接觸式檢測。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,，主要由導(dǎo)線,、絕緣基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2,、永久磁鐵,、五個引腳組成。其中,，MR1和MR2是相對放置的一對磁阻元件,，二者阻值相等,。垂直放置于基片下的永久磁鐵為MR1和MR2提供偏置磁場B，可以提高M(jìn)RCS檢測的靈敏度,。待測電流流經(jīng)的導(dǎo)線置于MR1和MR2對稱軸的位置,。當(dāng)電流流過4、5引腳時,，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生空間磁場,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為△B,。這個空間磁場分別穿過MR1、MR2時,，在某個瞬間方向相反,，所以這個磁場與MRCS內(nèi)部永久磁鐵的偏置磁場B相疊加而產(chǎn)生的效果是使MR1和MR2的阻值一個增大，一個減小,。根據(jù)歐姆定律,，這種一增一減會使信號輸出端2的電壓變化幅度更大。依據(jù)這種電壓變化,，MRCS就能夠檢測,、采集到電流信號。

　　由于電流傳感器輸出為電壓信號,，所以需要A/D轉(zhuǎn)換器將輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。圖2所示是輸出電壓與待測電流關(guān)系的特性曲線,。從圖中可以看出,，當(dāng)電流在10～100mA之間變化時，輸出電壓由0.5V呈線性增大到4.5V,，這說明電流傳感器的輸出具有良好的線性度,。
1.2 LM1893
　　LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電力線調(diào)制解調(diào)芯片，可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的半雙工通信,，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的全部功能,。采用18腳雙列直插式，其引腳圖如圖3所示,。它的主要引腳為：5腳(發(fā)送接收控制端),、10腳(載波信號的收發(fā)端)、12腳(解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端)和17腳(調(diào)制數(shù)據(jù)輸入端),。它由發(fā)送電路和接收電路兩部分構(gòu)成,。芯片的工作狀態(tài)由5腳控制。當(dāng)為高電平時,，芯片處于發(fā)送狀態(tài),；反之，則處于接收狀態(tài),。發(fā)送電路部分由FSK調(diào)制器,、電流控制振蕩器,、正弦波形成器、輸出放大器和自動電平控制電路(ALC)構(gòu)成,。單片機(jī)將數(shù)據(jù)從17腳輸入,，由此輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)FSK調(diào)制后形成開關(guān)控制電流，驅(qū)動電流控制振蕩器產(chǎn)生三角波,，再由正弦波形成器形成已調(diào)正弦波信號,，由輸出放大器放大后，送10腳輸出到電力線上,。ALC則用以控制輸出信號的幅值,。18腳為外接電阻端，用以調(diào)節(jié)載波頻率,。通過調(diào)節(jié)5kΩ的可調(diào)電阻,，LM1893的中心頻率可以在50～300kHz的范圍內(nèi)選擇。8,、9腳用于外接放大管的射級和基極以提高發(fā)射功率。接收電路部分則由限幅放大器,、鎖相環(huán)解調(diào)器,、RC濾波器、直流偏置消除電路和脈沖噪聲濾波電路構(gòu)成,。載波信號由10腳輸入,，經(jīng)限幅放大器放大后，送鎖相環(huán)解調(diào)器(PLL)解調(diào),，解調(diào)輸出通過RC濾波器,、直流偏置消除電路濾掉直流信號和高頻信號，最后經(jīng)脈沖噪聲濾波電路濾除信號中的脈沖干擾,，從12腳輸出解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號,。

　　LM1893的主要技術(shù)參數(shù)為：
　　(1) 采用抗噪聲的FSK數(shù)字移頻鍵控調(diào)制；
　　(2) 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)4.8kbps,；
　　(3) 載波頻率可在50～300kHz之間選擇,；
　　(4) 輸出功率可以在1~200倍的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；
　　(5) 與TTL,、CMOS電平兼容,；
　　(6) 適合現(xiàn)有的各種電力線路。
1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理
　　如圖4所示,，整個系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元,、單片機(jī)主控單元和電力線載波發(fā)送電路三部分組成。

　　在控制電路單元,，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對電流信號的采集和對電力線載波數(shù)據(jù)發(fā)送功能的控制,。它使整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為一個智能化的有機(jī)整體,。單片機(jī)采用ATMEL的AT89C2051，它包含2KB閃存,、128B的內(nèi)存,、15根I/O口線、兩個定時計數(shù)器和一個全雙工的串行口,。在設(shè)計中,，用到了AT89C2051的T1定時器和串行口以及P1端口線。由于該單片機(jī)與MCS-51相兼容,，因此在硬件電路設(shè)計和軟件編程方面更加方便,。
　　數(shù)據(jù)采集單元主要由MRCS傳感器和ADC0832組成。ADC0832是帶有串行輸入輸出功能的8位逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,，其轉(zhuǎn)換時間為80μs,。它的兩個模擬量輸入通道是可編程的，可以由串行輸入口DI的三位控制字" title="控制字">控制字指定通道,，并選擇單端輸入和差分輸入兩種工作方式之一,。MRCS將電流信號以電壓信號的形式提供給ADC0832。選擇ADC0832的CH1為單端輸入工作方式,，CH0為不工作,。DI端輸入的控制字為“111”，可將DI 固定接高電平,。當(dāng)單片機(jī)的P1.2口將ADC0832 的CS腳置低電平時,，在CLK的前三個脈沖上升沿，從DI端輸入控制字 “111”,，在接下來的八個脈沖完成轉(zhuǎn)換過程,。按照逐次逼近式的機(jī)理，依先高位后低位的順序,，轉(zhuǎn)換一位,，存儲一位。并在下降沿由DO端輸出一位,；在后續(xù)七個脈沖的下降沿又將存儲好的轉(zhuǎn)換結(jié)果按照先低位后高位的順序從DO端輸出,。因此，一次完整的模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程完成,，轉(zhuǎn)換后的八位數(shù)據(jù)就從P1.0口讀入到單片機(jī)中,。
　　從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，系統(tǒng)在具備采集處理功能的基礎(chǔ)上,，必須要有通信接口,，具備遠(yuǎn)程傳輸功能。實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的關(guān)鍵問題是如何根據(jù)電力線的特性選擇合適的MODEM芯片及設(shè)計可靠的接口電路。因?yàn)殡娏€上的用電設(shè)備種類繁多,，對載波信號傳輸過程所產(chǎn)生的干擾大部分是低頻調(diào)幅性干擾,，所以電力MODEM芯片的調(diào)制方式應(yīng)該采用抗脈沖干擾強(qiáng)的調(diào)頻方式，同時應(yīng)適當(dāng)提升載波信號功率以加大傳輸距離,。在本系統(tǒng)中選擇了FSK制式的LM1893,。
　　電力線載波發(fā)送電路主要由LM1893和電力線接口(PLI)組成。AT89C2051通過串行口與LM1893通信,，通信采用標(biāo)準(zhǔn)異步通信方式,，并通過控制LM1893的收發(fā)狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳輸。選用定時器1作為波特率發(fā)生器,，串行口采用波特率可變的工作方式1,。該方式為標(biāo)準(zhǔn)異步通信，其通信格式為每幀10位,。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5腳TX/RX,，決定數(shù)據(jù)是發(fā)送還是接收。當(dāng)為高電平時,，LM1893處于發(fā)送狀態(tài),。AT89C2051的串行輸出口TXD與LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端17腳連接，由單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)就從LM1893的17腳送入,，經(jīng)過FSK調(diào)制成150kHz的FSK載波信號,，送10腳輸出載波信號。在與電力線的接口電路中,，使用大功率齊納管和電阻組成限幅電路，起保護(hù)作用,。它能避免系統(tǒng)受到諸如強(qiáng)雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾,。而三極管T和變壓器TN則組成調(diào)諧功率放大電路。在這里,，變壓器既耦合了載波信號,，又使通信電路完全地隔離電力網(wǎng)工頻信號。載波信號的發(fā)送則通過耦合變壓器與電力線相連,。三極管T則用于載波信號的發(fā)送功率放大,。通過T的功率放大，載波信號的輸出功率能提高近10倍,。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　　在本系統(tǒng)中,，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，用MCS-51匯編語言編寫,。由于采用模塊化技術(shù),，使系統(tǒng)程序更加簡潔，占用內(nèi)存容量少,。
　　系統(tǒng)軟件主要包括以下程序：
　　(1)初始化程序,，主要完成以下工作：初始化MCU,、初始化LM1893、初始化串行口,；
　　(2)模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序,，主要完成以下工作：ADC0832復(fù)位、控制字移入ADC0832,，啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換,、按先高位后低位接收數(shù)據(jù)、按先低位后高位接收數(shù)據(jù),；
　　(3)載波發(fā)送子程序,，主要完成以下工作：設(shè)置串行口的工作方式、啟動串行口的發(fā)送,。
　　按照圖5所示的系統(tǒng)軟件流程圖編程,，便可實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳送,在遠(yuǎn)端的計算機(jī)主控系統(tǒng)就可以接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析,、處理和顯示,。