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      无线三维电法系统接收机关键技术研究
      时间:[2021-05-13] 作者:万洲电气 点击:127



      Three-dimensional Electrical Method in Wireless Receiver System

      万洲电气股份有限公司     鄢慧文、李新星


      摘  要:主要研究了一款基于GPRS无线通信技术的分布式三维电法接收装置,接收装置主要由GPS接收机、模拟信号采集装置、GPRS DTU和上位机四部分组成。利用GPS和发送机时间同步,模拟信号采集装置可以测量测线纵深、竖直方向和垂直方向三维电场的强度。针对被测信号噪声干扰强、频带宽的特点,设计了模拟信号调理电路,利用可编程增益放大器和16位Σ-Δ结构模数转换器构建了高性能的数据采集系统。

      关键词:三维电法;分布式;SD存储;GPS同步;GPRS DTU

      Abstract: Main Research Based on the GPRS wireless communication technology of the distributed three - dimensional electrical method in the receiving apparatus , receiving apparatus mainly includes a GPS receiver , the analog signal acquisition device , GPRS DTU and the other is composed of four parts . With the use of GPS time synchronization transmitter , analog signal collecting device can measure the depth of the line , the vertical direction and the vertical direction of the three - dimensional electric field strength . According to the measured signal noise and interference is strong , wide - band characteristics , design of analog signal conditioning circuitry , using a programmable gain amplifier and a 16 - bit sigma - delta analog to digital converter structure to build a high - performance data acquisition system .

      Keywords: Three-dimensional electrical method; Distributed; SD storage; GPS synchronization; GPRS DTU


      1  关键器件选型

      合理的器件选择对仪器的功能至关重要,在选择器件时需要综合考虑噪声、动态范围、功耗、精度等多方面要求。

      1.1  程控放大器的选择

      程控放大电路主要是将被测信号放大到ADC采样的最优区间,以提高采样分辨率。系统采用增益可编程仪表放大器PGA204,PGA204引脚图如图1所示。图1  PGA204引脚排列图

         其差分输出=G*(-),它的可控放大倍数为1,10,100,1000。PGA204供电电压范围为供电电流最大,输入阻抗欧,最大失调电压为50V,共模抑制比115dB,信号频率在0.1Hz~10Hz范围内时,噪声电压为0.4,满足系统设计要求。

      1.2  A/D转换器的选择

      A/D转换器是采集通道的核心部件,也是影响采集频率和精度的主要因素。系统采用ADI公司的AD7705作为AD转换芯片。AD7705是16位无丢失代码Σ–Δ模数转换器,主要应用于低频测量,具有两个传输通道,非线性为0.003%,3V供电时,最大功耗为1mW,采样频率维持在/128(19.2kHz时,=2.4576MHz),最大数据输出率为500Hz,单电源供电、低成本、低功耗,很适合低频、高精度模数转换。同时它的动态范围宽,可进行自校准,抗噪声性能优良,因此很适合应用到此高密度电法仪中。

      AD7705采用5V供电,2.5V基准电压,则最小分辨率为2500/(2^16)=38.1V。在实际工作中,AD7705的工作状态主要通过5个信号的变化来反映,片选输入、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN、转换数据输出DOUT和用于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪的状态信号DRDY。当为高时,不能进行任何数据操作。当为低时,如DRDY为低电平,数据转换完毕,可以读取数据。














      图2  AD7705结构图

      1.3  D/A转换器的选择

      DAC芯片主要用于实现将自然电位补偿值由数字量转化为模拟量,本次设计采用TI公司的16位双通道低功耗电压输出型的数模转换器DAC8552。DAC8552采用2.7V~5.5V宽范围单电源供电,具有建立时间短、尖峰小的优点。DAC8552与单片机通过三线串行接口相连,时序简单,使用方便。其结构图如图3所示,内部有一个24位移位寄存器,高8位为控制字节,低16位为数据字,双通道单极性输出,结构简单,使用方便。


      图3  DAC8552结构图

      1.4  运算放大器的选择

      电路中要用到很多运算放大器来保证系统采集性能,本次设计采用TI公司的高精度运放OPA277。OPA277最大失调电压为10V,供电电压为,供电电流最大,共模抑制比140dB,信号频率在0.1Hz~10Hz范围内时,噪声电压为0.22。


      2  各模块硬件设计

      2.1 低通滤波电路

      由于供电电压为低频方波信号,为滤除高频信号干扰,设计一个有源二阶巴特沃斯低通滤波器,如图4所示。


      图4  二阶低通滤波电路

      电路的传递函数为

      (1)



      电路的截止频率为

      (2)

         电路中采用精密电位器和聚苯电容,R=10K,C=0.33F,由式(2)算得最小截止频率48.2Hz。由于方波信号是由多次谐波组成的,为了防止方波信号失真,建议截止频率设为10次谐波的频率=8Hz*10=80 Hz.

      2.2  程控放大电路

      为了提高测量精度和信噪比,将MN电极接收的信号通过程控放大器差分放大到A/D采集的最佳区间,消除共模干扰。电路如图5所示。


      图5  程控放大电路

         PGA204的可控放大倍数为1,10,100,1000,由A1、A0脚控制,增益值如附表所示。

      附表  增益值表A1   A0Gain 0     0  1 0     110 1     0 100 1     1 10002.3  自然电位补偿电路

      自电补偿电路采用TI公司的双通道16位DAC8552和一个加法电路实现。在开始采集信号之前,先通过一次预采样,得到自然电位差值,再通过加法电路将它和电极N输出的电压叠加,输入程控放大电路负输入端。由于自然电位有正有负,故在DAC输出电路上接一个转换电路使电位能双极性输出,设计自然电位的补偿范围为-2.5V~+2.5V。DAC电路如图6所示。


      图6  D/A输出电路

         电路中

             (3)

         DAC输出的电压再通过如图7加法电路输入程控放大电路负输入端。


      图7  自电补偿加法电路

         其中

                              (4)

      这样在正式采集信号时就可以抵消自然电位的影响,减小了误差。

      2.4  A/D转换电路设计

      A/D转换电路是整个采集系统的核心,由于前级PGA204的输出信号是双极性信号,AD7705输入端需要单极性信号输入,故在进ADC之前加一个电平抬升电路如图8所示。


      图8  电平抬升电路

         其中

        (5)

         电路扩大了AD的转换量程,将输入-5V~+5V的双极性电压信号转换为0.25V~2.25V的单极性电压,方便ADC采集。A/D转换电路如图9所示。


      图9  A/D转换电路

      AD7705采用2.5V外部基准源,由基准源芯片REF192产生,电路如图10所示。


      图10  2.5V基准电压

      2.5   GPS时间同步设计

      GPS接收机由接收模块和天线组成,接收机在任意时刻能同时接收4~8颗卫星,并输出两种时间信号:一是间隔为1s的秒脉冲信号;二是经RS-232串口输出的与1pps脉冲前沿对应的包含国际标准时间和位置的GPS电文信息。本次设计时间同步采用HOLUX公司生产的型号M-87的OEM板,此模块接口简单,性能优越,可以实现授时的功能。M-87只有6个引脚,包括一个电源端口,一个接地端、两个串口以及一个1PPS计数输出端,时间精度达到1μs。该模块遵循NEMA-O183协议,提供两线的UART端口通讯,波特率从4800bps到1152000bps可调。模块的TXA端口与单片机的串口输入端URXD1连接,RXA端和单片机的串口输出端UTXD1连接,单片机可以通过串口读取包含国际标准时间的GPS电文信息,模块电路如图11所示。


      图11  M-87模块电路

      采集系统工作时,先从上位机得到一个启动时间,单片机不断读取GPS国际标准时间,当国际标准时间和预设的启动时间一致时,系统开始采集数据。

      2.6  SD卡模块

      由于GPRS网络传输存在延时、数据丢包等缺点,为了防止采集端向上位机发送数据时数据丢失,需要在本地先将采集结果保存,系统采用SD卡作为存储介质,SD卡采取FAT32文件系统将采集到的数据进行有序的数据管理。

      SD卡(Secrue Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪记忆器的常见存储设备,以Flash Memory 为存储体,具有体积小、容量大、功耗低、传输速度快等优点,满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求,被广泛应用于多种电子产品中[15]。

      根据SD卡技术规范,SD卡与主机的通信分为两个模式:SD模式和SPI模式[16]。SD模式速度快,使用所有的信号线;SPI模式速度较慢,但其接口设计简单,适合于SD卡与MCU的通信。本次设计也是采用SPI协议实现SD卡与MSP430单片机之间的通信。SD卡座与MSP430F149引脚的连接电路如图12所示。


      图12  SD卡座连接图

      2.7  GPRS DTU模块

      GPRS DTU全称GPRS数据传输单元,在国内目前实际上对GPRS DTU具有更加明确的约定:GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS网络进行传送的GPRS无线设备[17]。GPRS DTU具有以下五个核心功能:

      (1)内部集成TCP/IP协议栈

      GPRS DTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统,从硬件上,它可看作是嵌入式PC与无线GPRS MODEM的结合;它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。

      (2)提供串口数据双向转换功能

      GPRS DTU提供了串行通信接口,包括RS232,RS485,RS422等都属于常用的串行通信方式,而且GPRS DTU在设计上大都将串口数据设计成“透明转换”的方式,也就是说45GPRS DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送,而不需要改变原有的数据通信内容。因此,GPRS DTU可以和各种使用串口通信的用户设备进行连接,而且不需要对用户设备作改动。

      (3)支持自动心跳,保持永久在线

      GPRS 通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线,因此典型的GPRS DTU在设计上都支持永久在线功能,这就要求DTU包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线(当长时间没有数据通信时,移动网关将断开DTU与中心的连接,心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包,以保持连接不被断开)、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。

      (4)支持参数配置,永久保存

      GPRS DTU作为一种通信设备,其应用场合十分广泛。在不同的应用中,数据中心的IP地址及端口号,串口的波特率等都是不同的。因此,GPRS DTU都应支持参数配置,并且将配置好的参数保存内部的永久存储器件内(一般为FLASH或EEPROM等)。一旦上电,就自动按照设置好的参数进行工作。

      (5)支持用户串口参数设置

      不同用户设备的串口参数有所不同,DTU连接用户设备的串口时,要根据用户设备串口的实际参数对DTU端进行相应设置,保证用户设备的正常通信和可靠数据传输[17]。

      系统采用厦门灵旗通信有限公司的GPRS DTU LQ1000,其采用了先进的GPRS无线通信技术、嵌入式单片机技术和TCP/IP网络通信技术,稳定性强、可靠性高、实时性好、应用性广、功能强大,是一种实现串口设备数据通过无线透传到中心软件的有力设备。

      设计中DTU通过RS232接口直接与MSP430单片机串口0相连。LQ1000的主要参数如下:

      *支持固定IP或动态域名解析的连接方式;

      *频段:850/900MHz和1800/1900MHz;

      *电源:DC 8V-30V,标准电源DC 12V/2000mA;

      *功耗:通信时平均电流75mA/12V DC,空闲时25mA/12V DC

      *波特率:1200-115200bits/s

         只要通过软件将设置好IP地址和端口号的SIM卡放入DTU带到采集现场,就可以实现单片机与计算机的GPRS无线数据传输。工作框图如图13所示。


      图13  GPRS DTU连接图


      参考文献

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      [16]刘教瑜,吴美玲,谭杰. GPRS DTU 的设计及研究[J]. 电力自动化设备,2006,第26卷(第三期)

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