一種線(xiàn)型組網(wǎng)的三線(xiàn)制數(shù)據(jù)測(cè)量方法

　　0 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，常遇到測(cè)點(diǎn)呈線(xiàn)狀分布的情形，例如，輸電線(xiàn)路，輸油管道，河流沿線(xiàn)，城市管網(wǎng)等，這類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有如下特點(diǎn)：

　?。?）間隔距離各不相同。例如：石油輸送管道的流量壓力，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可1 km 一個(gè);城市路燈損壞監(jiān)測(cè)25 m一個(gè)。

　?。?）對(duì)傳輸速率要求不高。例如：路燈是否損壞的監(jiān)測(cè)，煤礦坑道傾斜度監(jiān)測(cè)，可以幾分鐘一次，河流沿線(xiàn)水質(zhì)，溫度信息甚至可以每小時(shí)一次。

　　（3）測(cè)點(diǎn)物理順序可以作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邏輯次序，只要順序檢測(cè)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)即可，不要求某個(gè)編號(hào)的數(shù)據(jù)單獨(dú)傳送。

　?。?）測(cè)點(diǎn)數(shù)量眾多，例如10 km 長(zhǎng)的路燈監(jiān)測(cè)點(diǎn)就有400個(gè)。

　　對(duì)于這些現(xiàn)場(chǎng)常遇到的線(xiàn)狀分布測(cè)點(diǎn)，如果采用總線(xiàn)式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以很好的簡(jiǎn)化布線(xiàn)形式，所有測(cè)點(diǎn)連接到總線(xiàn)上即可。實(shí)際上，已經(jīng)有很多這類(lèi)總線(xiàn)可供選擇，例如，CAN 總線(xiàn)，485 總線(xiàn)，IEEE1394 總線(xiàn)，Profi-bus總線(xiàn)，HART 總線(xiàn)，甚至有自成總線(xiàn)的器件，如數(shù)字溫度傳感器DS18B20.但是這些方案都不是針對(duì)上述數(shù)據(jù)特點(diǎn)量身定做的，有的追求高可靠性，有的追求網(wǎng)絡(luò)速度，還存在成本高、協(xié)議復(fù)雜、需要逐個(gè)測(cè)點(diǎn)編址等問(wèn)題［3］。所以，本文提出了一種基于單片機(jī)構(gòu)成的針對(duì)線(xiàn)狀測(cè)點(diǎn)的三線(xiàn)制組網(wǎng)方案，它具有自帶電源、協(xié)議簡(jiǎn)單、靈活多變等特點(diǎn)，可以極大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

　　1.1 硬件構(gòu)成

　　1.1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

　　三線(xiàn)制測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成圖如圖1所示，由一個(gè)主機(jī)和若干單元構(gòu)成，三線(xiàn)分別定義為電源、信號(hào)、地線(xiàn)。主機(jī)能控制單元的供電，由開(kāi)關(guān)J1 完成，它可以是繼電器的硬觸點(diǎn)，也可以是VDMOS管軟觸點(diǎn)。當(dāng)主機(jī)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先閉合J1，使所有單元上電，然后通過(guò)信號(hào)線(xiàn)R/T來(lái)控制各個(gè)單元依次上傳數(shù)據(jù)。其中1，2，…，N代表N 個(gè)測(cè)量單元。

　　如果需要傳送模擬信號(hào)，則要另外增加模擬信號(hào)總線(xiàn)，單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.1.2 單元結(jié)構(gòu)

　　單元的內(nèi)部組成，根據(jù)測(cè)量參數(shù)不同各有所異，這里給出一個(gè)傾角測(cè)量的例子，使用傾角傳感器，原理圖如圖2所示。上電測(cè)量是自動(dòng)進(jìn)行的，完成后等待輸入端R接受啟動(dòng)脈沖，然后進(jìn)入本單元數(shù)據(jù)發(fā)送，這期間本單元與主機(jī)是直通的，當(dāng)本單元數(shù)據(jù)傳送完成后，則等待輸入端的結(jié)束脈沖，然后本單元向下單元發(fā)送啟動(dòng)脈沖，隨后本單元進(jìn)入透?jìng)鳎ɑ蚍Q(chēng)傳話(huà)筒）模式，相當(dāng)于直通，主機(jī)可以跟下個(gè)單元進(jìn)行通信，依次類(lèi)推。

　　在單元示結(jié)構(gòu)意圖中，還增加了2 條模擬信號(hào)線(xiàn)，因?yàn)閮A角傳感器既有數(shù)字量輸出（通過(guò)SPI接口）也有模擬量輸出（通過(guò)Vf端）。如果想直接采集到單元的模擬量，則增加模擬開(kāi)關(guān)和模擬信號(hào)總線(xiàn)，當(dāng)單元處于工作狀態(tài)時(shí)，閉合模擬開(kāi)關(guān)，把模擬量送到總線(xiàn)上。

　　1.2 工作原理

　　主機(jī)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先閉合開(kāi)關(guān)J1，總線(xiàn)VCC 得電，所有單元同時(shí)上電，單元內(nèi)的單片機(jī)開(kāi)始工作。單元的工作分為待機(jī)、工作、透?jìng)?種模式。上電后，所有單元進(jìn)入待機(jī)模式，主機(jī)先向距離最近的1#單元發(fā)出啟動(dòng)脈沖，1#單元由“待機(jī)”轉(zhuǎn)為“工作”模式，它會(huì)啟動(dòng)傳感器，點(diǎn)亮指示燈L1，表示本單元是活動(dòng)的，這時(shí)，主機(jī)可以與1#單元進(jìn)行直接的通信，命令1#單元的進(jìn)行測(cè)量并讀取數(shù)據(jù)，完畢后，主機(jī)發(fā)送結(jié)束脈沖，命令1#單元結(jié)束活動(dòng)態(tài)。1#單元在向2#單元發(fā)送啟動(dòng)脈沖后進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?。于是，收?#發(fā)出的啟動(dòng)脈沖，2#單元成為活動(dòng)單元，點(diǎn)亮指示燈L1，進(jìn)入工作模式。由于1#單元的透?jìng)髯饔?，主機(jī)可以直接跟2#單元通信，直到2#單元收到結(jié)束指令后，它啟動(dòng)下個(gè)單元，然后自己變成透?jìng)?，這樣依次類(lèi)推，各個(gè)單元逐個(gè)變成活動(dòng)單元，主機(jī)總是透過(guò)已經(jīng)變成透?jìng)髂Ｊ降膯卧?，直接與活動(dòng)單元進(jìn)行通信，獲取數(shù)據(jù)，直到全部單元都完成數(shù)據(jù)采集。

　　因此，在整個(gè)三線(xiàn)制網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)是活動(dòng)單元，活動(dòng)單元前面，是完成了數(shù)據(jù)采集變成透?jìng)髂Ｊ降膯卧?在活動(dòng)單元后面，是等待啟動(dòng)的待機(jī)單元。主機(jī)能夠直接與活動(dòng)單元聯(lián)系，使用靈活約定的協(xié)議和速率，是本文提出三線(xiàn)制線(xiàn)狀組網(wǎng)的一大優(yōu)勢(shì)。

　　主機(jī)與活動(dòng)單元通信時(shí)，可以直接使用單片機(jī)的串口通信模式，在數(shù)據(jù)量小的時(shí)候，約定使用較低的波特率可以獲得較遠(yuǎn)的傳送距離。用來(lái)啟動(dòng)和停止單元工作的脈沖命令，可以有2種形式：

　　（1）直接使用串行通信來(lái)改變單元的工作模式，只要約定主機(jī)下發(fā)給單元的串行數(shù)據(jù)命令字即可，例如約定0X55為啟動(dòng)命令，0XAA為停止命令;（2）使用脈沖寬度控制，只要命令脈沖與通信波特率通信脈沖有明顯區(qū)別不產(chǎn)生混淆就可以，例如波特率使用1 200，啟動(dòng)和停止脈沖使用寬度為30 ms的低電平。

　　1.3 特點(diǎn)分析

　　總結(jié)上述闡述，本文提出的三線(xiàn)制線(xiàn)狀組網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：

　?。?）自帶電源：三線(xiàn)中有一根電源線(xiàn)，所有單元可以直接授電;（2）功耗低：工作過(guò)程中，只有一個(gè)單元是活動(dòng)的，處于待機(jī)和透?jìng)髂Ｊ降膯卧?，可以關(guān)閉所轄傳感器的供電，只讓單片機(jī)帶電，如果使用MSP433 超低功耗單片機(jī)，100個(gè)單元的功耗也不會(huì)超過(guò)1 mA.

　?。?）協(xié)議靈活：主機(jī)是通過(guò)透?jìng)鲉卧苯优c活動(dòng)單元通信，允許系統(tǒng)搭建者使用自己約定的通信協(xié)議;（4）傳送距離遠(yuǎn)：主機(jī)是通過(guò)接力與每個(gè)單元通信的，只要每個(gè)單元之間能有效傳送，多個(gè)單元構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng)就能正常工作。

　?。?）擴(kuò)展方便：當(dāng)需要模式量傳送時(shí)，只要再增加一條總線(xiàn)，每個(gè)單元增加模擬開(kāi)關(guān)，活動(dòng)單元把模擬開(kāi)關(guān)閉合，該單元的模擬量就可以上傳到總線(xiàn)上，送給主機(jī)。

　?。?）無(wú)需單元編號(hào)：主機(jī)是順序與各個(gè)單元建立聯(lián)系的，所有單元完全一樣，沒(méi)有地址編號(hào)環(huán)節(jié)，適合批量生產(chǎn)制作。