信号复用传输技术在锅炉承压管线泄漏检测中的应用

艾学忠,闫 敏,杨叶礼,袁天奇

(吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林 132022)

目前，测控系统的信息传输架构以集散控制系统DCS(Distributed Control System)和现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)为主[1-4]，传感器/变送器是测控系统中必不可少的信号采集设备[5-7].受信号传输方式限制，4～20 mA模拟信号输出型的传感器/变送器都不支持在线编程、在线自校准等功能，使得传感器/变送器的信息化、智能化水平受到很大的限制[8-11].针对测控系统的信息传输架构的局限，在研究模拟信号和数字信号的传输特点基础上，提出了模拟/数字信号复用传输技术方案，该方案成功应用在锅炉承压管线泄漏检测系统中.

1 信号复用线路传输的技术方案

基于信号复用线路传输技术的锅炉承压管线泄漏检测系统框图如图1所示，包括：工控机、主控单元、音频信号采集终端(音频信号传感器/变送器).复用线路中的信号包括配电电源、音频信号采集终端输出的4～20 mA标准电流信号和主机发、主机收、终端发、终端收4种形式的数字信号，数字通信采用主从方式.

图1 基于信号复用传输技术的锅炉承压管线泄漏检测系统

音频信号采集终端将接收到的音频信号转换成4～20 mA标准电流信号，通过两线制信号传输通道送给主控单元的音频模拟信号采集单元进行I-V转换，转换后的电压信号送给多路A/D采集卡转换成数字信号，数字信号经USB接口传给工控机，在工控机内进行数字滤波和FFT运算，得到被测音频的频谱特征参数，用来判断承压管线是否存在泄漏故障.

工控机通过串口向主控单元的嵌入式微处理器发出操作指令，嵌入式微处理器解析后通过串口的TXD1发送到数字发送控制配电输出单元，将1/0调制为配电电源15 V/21 V，为音频信号采集终端供电的同时以广播的形式下发数字指令；全部音频信号采集终端都能接收到主机的命令，协议地址对应的音频信号采集终端按照指令完成操作并发出应答信号，应答信号0/1被调制成4 mA/20 mA通过模拟信号线路上传给主控单元；主控单元的数字信号接收交换控制单元按照通信协议地址信息选通对应的音频模拟信号采集单元输出的电压信号，解调处理后经串口RXD1上传给嵌入式微处理器.

2 主控单元电路设计

2.1 主控单元配电输出和数字信号发送控制电路

由于音频信号采集终端采用两线制方式工作，主控单元要为音频信号采集终端提供配电电源，配电电源范围为15～24VDC.另外，主控单元还要以串行通信方式通过配电电路向音频信号采集终端下发数字指令，以15 V/21 V代表数字1/0.主控单元的配电输出和数字信号发送控制原理如图2所示，图2中用V1方波源按位模拟主控单元串口发送信号TXD1，用RL模拟音频信号采集终端，当方波信号源V1频率为9.6 kHz时，可等效19.2kbps的0/1发送状态.

图2 主控单元的配电输出和数字信号发送控制原理

2.2 主控单元信号接收转换电路

由于系统采用模拟/数字信号复用线路传输技术，主控单元接收到的信号包括4～20 mA的模拟信号和按照串口波特率传送的4 mA(0)/20 mA(1)的数字信号.主控单元模拟信号接收转换原理如图3所示.当输入的是模拟电流信号时，I1～I8为接收到的8路4～20 mA电流信号，经100 Ω电阻采样后转换成0.4～2 V电压信号，转换后的电压信号再送给多路A/D卡进行采集.在原理仿真时用电流源I9模拟产生频率4 kHz、幅值8 mA、偏移量4 mA的正弦电流信号，示波器图像为观察到的I-V转换波形.

图3 主控单元的模拟信号接收处理原理

当输入是按照串口波特率传送的4 mA(0)/20 mA(1)数字信号时，主控器发出地址选通信号，选择对应的模拟开关通道，将I-V转换后的0.4～2 V的电压信号送给比较器LM311的同相端，LM311的反相端设置成1.25 V，比较器输出结果为0(低电平)/1(高电平).图4所示数字信号接收处理电路原理图中，IS1为方波电流源，模拟方波信号的频率为9.6 kHz、峰-峰值16 mA、偏移量4 mA，接入I1输入端，模拟开关ADG408选通信号A0、A1、A2接低电平，模拟开关ADG408的S1与S接通，比较器U2输出接主控单元串口RXD1，示波器中A路方波为转换后的串口接收信号，相当于波特率19.2kbps.

图4 数字信号接收电路

3 音频采集终端电路设计

3.1 音频信号采集终端供电与接收解调电路

图5 音频信号采集终端供电电路

3.2 音频信号采集终端信号处理电路

音频信号采集终端信号处理电路如图6所示，包括麦克信号放大处理电路、工作方式选择控制电路和V-I转换电路3个部分.麦克接收到的音频信号经过二阶低通、四阶高通滤波处理后被LM258构成的反向放大电路前置放大，为V-I转换电路提供幅值合适的模拟电压信号.模拟开关LM258用来选择工作方式，音频信号采集终端内置的嵌入式微处理器根据主控单元指令，发出工作方式控制信号FSHXZ.在没有数字信号传输任务时，FSHXZ=0，TXD0=1，电路工作于音频信号放大方式；在有数字信号传输任务时，FSHXZ=1，电路工作于串口发送方式，TXD0为串口发送信息.

图6 音频信号采集终端信号处理电路

图6所示电路中，模拟开关ADG408的选择信号FSHXZ=0、TXD0=1时，工作于音频信号放大方式，可以等效成图7所示仿真电路.信号源XFG1产生频率4 kHz、幅值50 mV的正弦波信号，前置放大电路经过电容C8输出的信号如示波器中A路波形图所示，电阻R10上电压信号如示波器中B路波形图所示.验证结果：输入信号在0～50 mV范围变化时，为便于观察调整电位器R18，使电阻R10上电压峰-峰值为2 V，此时对地输出电流峰-峰值为20 mA.如果调整电位器R18，使电阻R10上电压峰-峰值为1.6 V，对地输出电流峰-峰值为16 mA，加上供电消耗电流4 mA为4～20 mA，符合设计要求.

图7 音频信号放大方式仿真结果

图6所示电路中，FSHXZ=1时，工作于串口发送方式，可以等效成图8所示仿真电路.信号源XFG1产生9.6KHz的方波信号(图中B路方波信号)，可以模拟串口波特率19.2Kbps的发送信号替代TXD0.图中A路方波为电阻R10上的电压信号，说明电路在高电平1时输出的电流为20 mA，低电平0时输出的电流为0 mA.考虑到电路静态工作电流4 mA，电路在高电平1时输出总电流为24 mA，低电平0时输出总电流为4 mA，符合主控单元对接收信号变化范围的设计要求.

图8 串口发送方式仿真结果

4 系统测试

图9为测试平台，使用信号发生器驱动蜂鸣器产生音频信号，利用采集终端采集并处理音频型号.通过主控接收转换电路转换为电压信号，图10为电压信号波形.利用串口助手测试数字通信功能，图11为串口发送接收数据测试结果.

图9 系统测试平台

图10 主控输出电压信号波形

图11 串口接收和发送数据结果

5 结 论

文中所述信号复用线路传输方案已经应用于智能锅炉承压管线泄漏检测技术的研究项目中.由于配电、模拟信号、数字信号复用传输线路，大大节省了系统铺设传输导线的成本；通过信号复用线路传输技术使得音频采集终端能够在线接受主控单元数字指令，实现音频采集终端在线编程、自校准和故障自诊断功能，在很大程度上提高了系统的信息化和智能化水平；信号复用线路传输技术对于使用两线制智能传感器/变送器的测控系统有很好的推广价值.