一种海洋传感器的电力线载波数据采集传输系统*

章雪挺，翁大平，刘敬彪，沈张一

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

以电力线载波为载体的船载数据传感器采集与传输系统，可以实现水下模块5 路电压，5 路电流和15 路压力传感器数据的获取和显示，以及传输误码率测试。国外很早就研究了电力线载波通信技术，很多公司同时也研制了自己的电力线载波芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。国内目前在电力线载波芯片的研制方面没有较大成果，主要应用电力线载波模块在远程抄表、智能家居等领域［1］。

本文提出的将电力线载波模块应用于500 VAC 的船载数据采集传输系统，可以采集船载水下模块的5 路电压值、5 路电流值和15 路压力值，同时可以测试水下模块和甲板模块的误码率，并实现500 VAC 输出可控，对监测船载阻性负载的状态和保证船载工作平台安全性具有深远意义。

1 系统结构

500 VAC 电力线载波船载数据采集传输系统的整体结构示意图如图1 所示，主要包含甲板模块、水下模块、电压可控输出电路、变压器、改进的KQ130485F 模块、传感器组和人机交互监测平台。

本系统主要分为甲板单元、水下单元和人机交换监测平台，其中甲板单元通过接收上位机发送的“打开输出1”和“打开输出2”指令来控制继电器，实现2 路24 VDC/0.8A输出;甲板单元通过接收上位机发送的“系统供电”指令来控制固态继电器实现500 VAC 输出可控。甲板单元连接改进的KQ130485F模块为数据接收端模块，即负责接收从水下单元采集的传感器数据，再将数据发送至人机交换监测平台显示。

图1 系统结构示意图Fig 1 Structure diagram of system

水下单元主要负责采集5 路电压值，5 路电流值和15 路压力传感器值，由于单片STM32F107 最多只有16 路AD 输入端，要满足25 路的数据采集，需使用2 片STM32F107 同时工作来完成数据采集的任务。水下单元连接改进的KQ130485F 模块为数据发送端模块，即负责将采集到的传感器数据发送到甲板单元。由于压力传感器为二线制连线方式，输出信号为4～20 mA 的电流信号，在AD采集前端需要通过电流/电压转换电路将电流信号转换为电压信号后，单片机内部AD 才能采集，二线制传感器的连线方式如图2 所示。

图2 二线制传感器连接图Fig 2 Two-wire sensor connection diagram

人机交互平台主要完成3 个任务:25 路传感器数据的显示、3 路电压控制开关和通信链路误码率测试。

2 系统硬件

在220VAC 电力线载波模块KQ130485F 的基础上，通过研究改进，实现了500 VAC 电力线载波数据传输的应用。改进的KQ130485F 模块在500 VAC 和强干扰、远距离的环境下，能够可靠地传送数据。改进的KQ130485F 载波模块包括了载波驱动、耦合、滤波、防雷击等复杂的外围电路。用户只需要提供12 V 电源，2 根485 信号线，通过RS—485信号线与STM32 单片机系统相连来获取待传输或待接收的数据，数据传输波特率固定为9 600 bps;通过模块的2 个AC 端直接连接到500 V(不分零线，火线)来实现电力线传输通道的连接［2］。

本系统中共使用到3 台交流变压器，其中220 ～30 VAC/100W变压器用于甲板单元的系统供电模块;500～15 VAC/100W 变压器用于水下单元的系统供电模块;220～500 VAC/3000W 变压器用于实现在500 VAC 电压上数据传输。

本系统中2 路24 VDC/0.8A 的可控输出是通过继电器JZC—32F 012—ZS3(555)来实现，此继电器的吸合电压是+12 V，额定电流为3 A，触点切换电压为250 VAC30 VDC，触点切换电流为3A［3］。本系统中500 VAC 的可控输出是首先通过控制继电器JZC—32F 012—ZS3(555)来实现+24 V电压的可控输出，然后将+24 V 可控电压接入固态继电器LRSSR—DA 来实现220 VAC 电压的可控输出，最后将220 VAC可控电压接入220～500 VAC 变压器实现500 VAC电压的可控输出。固态继电器LRSSR—DA 的控制端输入电压为3～32 VDC，受控端接入最高电压为10A/380VAC/50～60 Hz的交流信号［4］。

本系统中微处理器选用ST 公司32 bit 单片机STM32F107VCT6。这种单片机集成了各种高性能工业标准接口，72 MHz 运行频率，拥有硬件除法和单周期乘法，快速可嵌套中断和256 kB FLASH Memory 和高达64 kB 的SRAM，内部AD 输入通道多达16 个，丰富的定时器资源和串口资源完全满足本系统设计的资源要求［5］。

本系统中需要采集的5 路电压、5 路电流和15 路压力值都是通过传感器获得的。电压传感器型号是维博电子WBV412D01，电流传感器型号是维博电子WBI412S91。

3 系统软件设计

本系统软件设计包括三大部分:甲板单元接收上位机命令程序、水下单元采集发送传感器数据程序以及上位机数据显示和误码率校验程序，本设计程序中下位机代码均在KEIL 下编译、调试，上位机代码均在Microsoft Visual Studio 2008 下编译、调试。

3.1 甲板单元接收上位机命令程序设计

甲板单元程序设计可以分为以下3 个步骤:

1)系统初始化

上电后，对系统时钟，I/O 口，USART 进行初始化配置。

2)KQ130485F 模块接收数据准备

甲板单元的KQ130485F 模块采用RS—485 协议进行数据传输，因此，需要接RS—485 转RS—232 模块后才能将数据发送至上位机。

3)实时接收上位机发送命令并执行动作

甲板单元接收上位机发送的3 种命令帧，对应执行3 种不同的动作，命令帧和执行动作的对应关系如表1 所示。

表1 命令帧和执行动作示意图Tab 1 Command frame and execute actions

甲板单元接收上位机命令程序设计流程图如图3 所示。

图3 甲板单元程序设计流程图Fig 3 Flowchart of deck unit programming

3.2 水下单元采集发送传感器数据程序设计

水下单元程序设计可以分为以下3 个步骤:

1)系统初始化

上电后，对系统时钟，I/O 口，USART 和AD 进行初始化配置。

2)KQ130485F 模块发送数据准备

水下单元采集到的5 路电压值、5 路电流值和15 路压力传感器值通过KQ130485F 模块发送到甲板单元，水下单元通过RS—485 协议把数据传送给KQ130485F 模块。

3)采集传感器数据后以帧格式发送数据包

水下单元将采集到的传感器数据按照“@#，02，*1，*2，*3，*4，*5，*6，*7，*8，*9，*10，*11，*12，*13，*14，*15，*16，*17，*18，*19，*20，*21，*22，*23，*24，*25，/r/n”的数据帧格式将数据打包后发送出去(*n代表第n 路传感器数值)。水下单元程序设计流程图如图4 所示。

3.3 上位机数据显示和误码率校验程序设计

上位机程序设计可以分为以下3 个部分:

1)25 路传感器数据显示区

25 路传感器数据显示区由15 路压力传感显示区和10 路负载状态显示区组成，数值支持浮点数值和整型数值。

图4 水下单元程序设计流程图Fig 4 Flowchart of underwater unit programming

2)可控电压输出控制区

可控电压输出控制区由系统供电、打开输出1 和打开输出2 组成。

3)误码率校验区

误码率校验区由显示丢码数、误码数、通信状态、发送字符数、接收字符数、误码率、测试发送数据显示、测试接收数据显示、测试开始和测试暂停组成。上位机流程图如图5所示。

图5 数据接收显示和误码率测试Fig 5 Data reception display and bit error rate test

4 系统调试

在实验室环境下，将变压器组接入控制电路中，通过KQ130485F 模块将甲板单元和水下单元连接起来;上位机通过RS—485 转RS—232 模块和甲板单元连接起来，其中变压器组如图6 所示，甲板单元如图7 所示，水下单元如图8所示。

图6 变压器组Fig 6 Transformers group

在实验室模拟调试的基础上，对系统实行为期一周的测试。测试条件:甲板单元和水下单元有线通信距离30 m，对电压、电流和压力传感器数值进行测量20 次取平均值，测试结果如表2 所示。

图7 甲板单元Fig 7 Deck unit

图8 水下单元Fig 8 Underwater unit

表2 传感器组测试结果Tab 2 Test results of sensors group

结果表明:系统正常工作，达到预期的测试结果。

5 结 论

本文利用改进的KQ130485F 模块实现了500 VAC 电力线载波船载数据采集传输系统。该系统在设计时还保留了一些AD输入端接口，为以后对系统进行改进升级做好准备。同时系统通过上位机可以控制500 VAC 的通断，这样就可以直接控制水下单元是否被供电，可以在不需要传感器工作时关闭水下单元工作状态，节省船载电量，从而可以提高水下单元持续工作时间。系统很好地满足了船载数据采集传输要求，达到了预期的目标。

［1］ 张海亮.电力线载波技术在国内外的发展和应用［J］.电网技术，2006(10):1-2.

［2］ 四川科强电子技术有限责任公司.KQ—330F 电力载波模块使用手册［Z/OL］.［2004—01—01］.http:∥www.kq100.com/download.asp.

［3］ 深圳庆东科技发展有限公司.继电器—JZC—32F/012—ZS3 的详细说明［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥china.npicp.com/productshow/offerdetail/33—1042—3111—1231893.html.

［4］ 浙江利尔德继电器有限公司.LRSSR—DA 10A 详细信息［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥lierdrelays.cn.makepolo.com/product/100194830956.html.

［5］ ST 公司.STM32F107VC Datasheet［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/search/part-NumberKeyword.

［6］ 绵阳市维博电子有限责任公司.2014 传感器选型手册［EB/OL］.［2014—01—01］.http:∥www.wb-my.com/service.asp?Title=%D7%CA%C1%CF%CF%C2%D4%D8.