《武汉工程大学学报》 2017年03期
296-301
出版日期：2017-06-24
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于输电线传输的打铃测控系统
传统的打铃系统主要分两种，一种是将所有的控制线接入主控室，并按需要在控制箱上做相应的调整，缺点是信号接口多，且需要进行大量的布线，花费较大，在某种程度上也影响系统的美观. 另一种是将打铃指令直接写入打铃系统中，只要时间一到便开始在规定的时间内响铃，缺点是会发生各个响铃不同步的情况，且控制功能单一，不易更改调整，只适合小型或单间的场所. 综上分析，设计了一种基于输电线传输的新型打铃测控系统，该系统无需重新架设通信线路，能复用输电线路进行通信，不占用无线电频率资源，既可以省去布线的麻烦，后期维护也较为方便［1］. 1 系统方案设计1.1 控制系统设计基于输电线传输的打铃控制系统如图1所示，由主机模组、分机模组和传输分配网络等部分组成，主机模组有载波调制电路、DA（Digital to Analog）转换电路、显示与控制电路、电源电路等，每个分机模组都有各自的载波解调电路、AD采集电路、响铃电路、电源电路等. 将控制数据等信号的频谱搬移到高频载波，即信号的载波调制. 无需重新架设通信线路，能复用输电线路进行数据通信，不占用无线电频率资源［2］. 当载波调制信号送达分机接收端后，分机通过载波解调电路还原控制数据信号，实现控制响铃状态［3］. 1.2 频带传输系统的设计带通调制技术中，幅移键控调制，会由于输电线上的噪声影响接收振幅，导致传输错误；频移键控调制是利用数字基带信号控制载波的频率变换，误码率较高；相移键控调制是利用数字基带信号进行相位控制连续载波，目前无线通讯和载波通讯的相关领域应用较多，且误码率较低，所以本系统选择相移键控调制方式［4］. 相移键控调制是用二进制数字基带信号来进行相位控制连续载波系统［5］. 数字相移健控调制器由基带调制和数字上变频部分组成，如图2所示，能实现串并转换、相位映射、成形滤波、内插变换和数字上变频［6-7］. 数字式相移键控解调器由数字下变频和基带解调部分组成. 采用高稳定度晶体振荡器产生本振时钟，根据载波恢复的方式，设计为反馈型结构，如图3所示. 反馈型与前馈型相比，利用定时恢复和载波恢复电路，消除同步参数对信号判断的不利影响，优化误码性能. 在定时恢复的最佳采样点，载波相差检测器形成相位误差信号，通过数字环路滤波器产生控制信号，控制数字控制振荡器的频率和相位，以达到解调的目的［8］. 2 系统硬件设计2.1 响铃监控电路设计为了更加精准控制响铃状态，设计了响铃控制及其监测电路，如图4所示，用BUZZER蜂鸣器模拟打铃，用MIC驻极体话筒监测蜂鸣器接收到响铃指令后，响铃状态是否正常，以便实时调整控制数据［9］. 图4中，若电源电压[Ucc]为5 V，选用驻极体话筒的工作电压UM为4.5 V，电流峰值Imax为1 mA，则有：[(Ucc-UM)/R7Imax]， （1）由式（1）可知，[R7500 Ω]；偏置电阻R7选1 kΩ.若设定蜂鸣器发出频率3 kHz的脉冲，则MIC接收到周期约为330 μs，占空比为33%的脉冲，高电平持续时间约为100 μs，由图 4易知A点为低电平时，Q1导通，电容短路放电，A点为高电平时，Q1截止，电容充电，所以电容在高电平持续时间100 μs内充电电压[Uc]为：[∵Uc=Ucc?etτ]， （2）且τ=R5C，代入式（2）可得，[t=R5Cln(Ucc/Uc)]； [∴100 μs=47 kΩ×3 μF×ln5Uc V]； [∴][Uc]=0.82 V；[∴]电容C在高电平100 μs内充电电压最高为0.82 V，示意图如图5所示；即单片机P2.7口接收电压应达0.82 V. 2.2 AD和DA转化电路设计AD采样电路和DA转换电路如图6和图7所示，两个电路分别作用于主机发送模组和分机接收模组，由于速度上的限制所以可以考虑多个电力载波模块差时检查，差时接收［10］. 图6电路上所示的滑动变阻器和图7电路LED指示是为了模拟波形的变化，也是为了检查信号是否握手成功［11］.2.3 串口通信电路设计串口通信电路如图8所示，电路采用双工发送/接收器接口的电平转换电路芯片MAX232为核心，外接合适的元器件构成. 其芯片内部有自升压电路，电平倍增电路，可将+5 V电平转化成-10 V~+10 V，满足RS-232C标准对应的逻辑1和逻辑0的电平要求. 片内有2个发送器，2个接收器，有TTL信号输入/RS-232C输出的功能. 该芯片可与TTL/CMOS电平兼容，使用简便［12］. 3 系统软件设计软件设计流程如图9所示. 串口通信模块用来进行数据的传输和指令的发送，时间计数模块用来显示标准时间、设置响铃时间并确认是否发出响铃指令，显示模块是为了显示设置时间和操作菜单等［13］. 4 系统测试4.1 响铃监控电路测试经过对图4响铃监控电路实际测试，响铃电路监测电容C在高电平100 μs内电压变化曲线如图10所示. 由图10可知，经实际测试，每隔330 μs，在每个周期的高电平100 μs内，都能检测到电容C两端电压，即单片机P2.7口对地电压最高约为0.82 V，测试结果与图5 响铃监测理论数据一致，说明响铃系统控制精准，响铃及其控制电路工作正常. 4.2 频带传输系统测试4.2.1 测试原理 PSK相移键控调制是利用载波的不同相位来传递数字信息，利用二进制数据来控制载波的相位在0°~180°间切换来调制载波的零相位角度，该过程是进行频谱变换的过程，振幅和频率保持不变. PSK控制结构图如图11所示［14］. 4.2.2 测试结果分析 系统经过实际测试，发送端主机数字PSK调制器的输出波形如图12、接收端分机解调后波形如图13所示［15］ ，接收端解调信号周期T为63 μs，占空比D为50%，与发送端调制信号参数一致，对照波形表明，其发送调制、接收解调效果良好. 5 结 语本文设计的基于输电线传输的打铃测控系统采用输电线路进行通信，无需重新架设专线，不占用无线电频率资源，能传输控制数据信息，以实现异地控制响铃状态. 系统经实际测试，效果良好；并且成本较低、无辐射污染，可应用于巡视监控、智能家居、物联网抄表、环境及路况监视等众多场合. 符合智慧城市节能环保的设计要求，具有较好的应用发展前景.