便携式位置探测仪信号接收装置电路设计

沈金鑫，夏 静

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

在对航空输油管线进行清管作业过程中，清管器会在管道转弯等处发生卡堵，为了快捷地找到其卡堵位置，在清管器内安装信号发射装置，连续发射出电磁脉冲信号，通过地面探测仪接收，可以指示出清管器的运行位置。一旦因管线内部出现情况而造成清管器卡堵在管线内，通过地面探测仪跟踪发射的信号，可找到其卡堵位置并精确定位，这为管线清理的故障排除提供一个准确可靠的依据。

接收装置分为两套设备，即接收传感器和信号处理设备。接收传感器由工作人员握在手里进行探测，信号处理设备由工作人员背在肩上。工作人员背着信号处理设备，手持接收传感器沿着管道前进，在发射装置发射的信号的有效发射范围内，接收传感器会感应到该信号，将该信号接收并传送至信号处理设备。信号处理设备对信号进行解码、识别，如果是所发射的信号则报警并显示找到目标。接收装置必须完成两个功能：一方面它要对信号进行放大、滤波、解码及识别；另一方面还要对信号的强弱进行测量，从而可以估算清管器卡堵位置与接收装置之间的距离，这样工作人员就可以判断出清管器的大概方位。

接收装置属于便携式设备，操作者随身携带，这就要求其体积小、重量轻、续航时间长。为了减少探测仪的体积和重量，应尽量使用贴片元件、功能集成的IC和减小元件之间的布线距离。比如Microchip公司的PIC单片机就把CPU、ADC和脉宽调制等功能集成起来，使其成为一个独立单片系统[1]。选择功能集成的芯片对于仪器的低功耗设计也是很有好处的。电路板布线时，在满足抗干扰性的条件下，尽量把元器件挤在一起。布线不通时尽量考虑增加线路板的层数，而不是扩大面积。另外与一般仪器不同，为了有效的利用空间，便携式仪器的线路板在设计时就要考虑到其使用情况，在电路特性允许的情况下，布局布线和线路板形状等都尽可能地兼顾外壳设计。

1 接收装置电路原理及设计

接收装置电路主要包括以下几个部分，即电源电路、电源电压检测电路、主从MCU电路、从MCU开关电路、实时时钟电路、EEPROM接口电路、信号接收电路、前置放大电路、滤波放大电路、施密特触发器、解码模块接口电路、A/D转换电路、上电自检电路、液晶显示接口电路、报警电路。系统由电源电路产生各个芯片所需要的工作电压及参考电压；由主从MCU电路控制各个部分的协调工作。

1.1 电源电路

电源电路给接收装置的所有元件提供工作电压。仪器电路有各种各样的芯片，因此需要的电压也较多，累计有±15 V电压（为放大滤波等电路提供工作电压），+5 V电压（为MCU等芯片提供工作电压），+2.5 V电压（为编码模块提供参考电压）。这些电压都是从接收装置上自带的+6 V电池经过转换分压后获得，接收装置的电源电路如图1所示。

图1 接收装置电源电路图Fig.1 Frame chart of the receiver

1.2 电源电压检测电路

电源电压检测[2]是比较重要的部分，防止电源在低能量水平下运行时的不可靠性，预先的检测可以估计电池的续航时间。当电池低于最低限度时候发出警告，以提示工作人员及时更换电池。在接收装置中利用继电器进行外界信号和电池电压信号的切换，继电器的输出端接至ADC的输入端，输入端中常开节点接电池的输出端，常闭端接在外界信号的输出端，在需要检测电源电压时，由从MCU控制继电器吸合，电源电压送给ADC输入端，这样ADC测出的电压就是电池的电压。

1.3 主从MCU电路

接收装置的主MCU （AT89C2051）电路和从MCU（W78E58BP）电路的时钟电路和复位电路相同。

1）时钟电路

考虑到本系统没有可用的时钟而且没有必要取得时钟上的同步，因此本接收装置的时钟电路采用内部方式。外接晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这时内部振荡器会产生自激震荡。外接电容C1和C2通常选择为30 pF左右，外接陶瓷谐振器时，C1和C2的典型值约为47 pF。在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振元件，内部振荡电路就产生自激振荡。图2为内部方式时钟电路图。

图2 时钟电路Fig.2 Clock circuit

2）复位电路

复位电路的核心就是必须保证RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样才能实现可靠的复位。该接收装置不需要开关复位，只需要上电复位即可。

1.4 从MCU开关电路

接收装置含有主从MCU，主MC U在目标寻找工作中担负着主要的信号识别任务。在没有信号的时候，从MCU停止工作，这样可以节省电能，延长寻找时间，增加成功寻找目标的可能性，从MCU的打开和关闭是由主MCU控制开关三极管来实现的，电路设计简单，实现方便。

1.5 实时时钟电路和EEPROM接口电路

接收装置选用DS1307作为实时时钟芯片[3]，用AT24C02作为EEPROM来保存仪器使用中的各种信息，这两种芯片都是串行I2C总线芯片，其接口电路相似，使用从MCU模拟I2C时序，接口电路如图3所示。

图3 DS1307、AT24C02和MCU的接口电路Fig.3 Interface circuit of DS1307，AT24C02 and MCU

1.6 信号接收电路及前置放大电路

信号接收传感器只负责信号的接收工作，前置放大电路的作用一方面是初级放大输入信号，另一方面是给输入电路提供很高的输入阻抗。输入阻抗越大，对被测电路工作状态的影响越小，输入越准确，同时信号源的负担也越轻，这样才不至于受到信号传感器阻抗的影响。前置放大电路的主要组成是同向比例放大电路，如图4所示。

图4 信号接收及前置放大电路Fig.4 Amplifier circuit of signal receiving

1.7 滤波放大电路

从信号接收传感器送来的信号往往是非常微弱的，而且含有杂波信号，为了取出有用的信号并抑制噪声，必须对信号进行滤波。滤波电路中最重要的部件是滤波器。MAX260[4]系列芯片的编程输入总线比较简单，它包括2条数据线D1、D0和4条地址线A3—A0，另外还有一条写允许控制线WR，通过主MCU（AT89C2051）的P0口对滤波器芯片进行参数设置，具体连接如图5所示。在滤波器的输出中，可能会由于逻辑输入跃变而产生某些噪声，所以在输入端加了74HC374数据缓冲器来避免产生这种噪声。

图5 MAX260与MCU接口电路Fig.5 Interface circuit of MAX260 and MCU

1.8 施密特触发器

外界信号经过信号接收传感器，再经过滤波放大后的信号并不是很规则的正弦波信号，经过施密特触发器[5]后其输出是很规则的方波信号，而频率并没有改变。适当改变施密特触发器的触发电平，可以产生TTL电平所需要的脉冲信号，将这个信号送给主MCU，主MCU就可以对信号进行识别，从而可以探测目标所在。

1.9 解码模块接口电路

该解码模块接线只需要4根即可，即OUT、CLK、CS、IN。AT89C2051不用的某个I/O口的3根线和编码模块中除IN外的3根线连起来即可。

1.10 A/D转换电路

选用A/D芯片MAX195，图6为ADC与MCU的接口电路[6]。MCU和MAX195的接口电路简单，只需MCU两根线就可以实现转换功能，MAX195的输出需要引回到MCU，从而对其输出的数字量进行处理。其中MAX195的1脚即BP/UP/SHDN悬空表示双极性输入，正负信号都可以进行转换。

图6 ADC与MCU接口电路Fig.6 Interface circuit of ADC and MCU

1.11 上电自检电路

上电自动检测电路是系统上电时必须执行的一个环节，用来检测仪器的工作状态是否正常。该块电路实际上是由主从MCU共同实现的，自检时主MCU通过自带的编码模块产生和发射装置所发射的同频率同节拍的编码信号，该信号送到信号接收传感器，然后信号就像外部接收到的信号一样经过隔离、放大滤波，经施密特触发器并解码送给从MCU，然后从MCU对该信号进行检测，如果检测成功则表示仪器工作状态是好的。通过自检电路可以检测接收装置中的主从MCU、施密特触发器、编码模块、接收传感器、滤波放大电路等等是否工作正常。

1.12 液晶显示接口电路

内藏T6963C的液晶显示模块与MCU的接口方法是间接连接方式[7]，即通过并行接口间接实现对液晶显示模块的控制。根据液晶显示模块的需要，并行接口需要一个8位的并行口和一个3位的并行口，如图7所示。由该图可知，W78E58BP的P0口作为数据口线，P3口中3位作为读、写及寄存器选择信号。由于P0口只用于液晶显示模块，所以CE信号就直接接地了。

图7 液晶显示模块接口电路Fig.7 Interface circuit of LCD module

1.13 报警电路

报警电路是当接收装置遇到以外情况（例如电池电量不足、产生故障）或接收到信号时向工作人员进行提醒，包括蜂鸣器的鸣叫和发光二极管的闪烁。用蜂鸣器的鸣叫次数并配以发光二极管的闪烁次数来提示遇到的情况，同时可以从液晶显示器上获得探测的信息。

2 结 论

该探测仪信号接收装置的电路设计，经过调试，其可靠性和各项性能指标已经达到设计要求。电路中大量应用单电源低功耗芯片和贴片式元器件，节省了电源的使用，降低功耗，而且减少了元器件的数量，使得电路板小巧、轻便，实现了便携式的要求。经样机试验测试，该探测仪可以在半径6m的范围内识别发射器发射的电磁脉冲信号，并能够实现清管器位置的准确定位。

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