一种线型组网的三线制数据测量方法

引言

现场测量中，常遇到测点呈线状分布的情形，例如，输电线路，输油管道，河流沿线，城市管网等，这类监测数据有如下特点：

（1）间隔距离各不相同。例如：石油输送管道的流量压力，监测点可1 km一个；城市路灯损坏监测25 m一个。

（2）对传输速率要求不高。例如：路灯是否损坏的监测，煤矿坑道倾斜度监测，可以几分钟一次，河流沿线水质，温度信息甚至可以每小时一次。

（3）测点物理顺序可以作为监测点的逻辑次序，只要顺序检测各点的数据即可，不要求某个编号的数据单独传送。

（4）测点数量众多，例如10 km长的路灯监测点就有400个。

对于这些现场常遇到的线状分布测点，如果采用总线式的组网结构，可以很好的简化布线形式，所有测点连接到总线上即可。实际上，已经有很多这类总线可供选择，例如，CAN总线，485总线，IEEE1394总线，Profi-bus总线，HART总线，甚至有自成总线的器件，如数字温度传感器DS18B20.但是这些方案都不是针对上述数据特点量身定做的，有的追求高可靠性，有的追求网络速度，还存在成本高、协议复杂、需要逐个测点编址等问题[3].所以，本文提出了一种基于单片机构成的针对线状测点的三线制组网方案，它具有自带电源、协议简单、灵活多变等特点，可以极大简化电路设计和系统设计。

1系统构成及原理

1.1硬件构成

1.1.1系统总体构成

三线制测量系统的构成图如图1所示，由一个主机和若干单元构成，三线分别定义为电源、信号、地线。主机能控制单元的供电，由开关J1完成，它可以是继电器的硬触点，也可以是VDMOS管软触点。当主机需要采集数据时，首先闭合J1，使所有单元上电，然后通过信号线R/T来控制各个单元依次上传数据。其中1，2，…，N代表N个测量单元。

如果需要传送模拟信号，则要另外增加模拟信号总线，单元结构如图2所示。

1.1.2单元结构

单元的内部组成，根据测量参数不同各有所异，这里给出一个倾角测量的例子，使用倾角传感器，原理图如图2所示。上电测量是自动进行的，完成后等待输入端R接受启动脉冲，然后进入本单元数据发送，这期间本单元与主机是直通的，当本单元数据传送完成后，则等待输入端的结束脉冲，然后本单元向下单元发送启动脉冲，随后本单元进入透传（或称传话筒）模式，相当于直通，主机可以跟下个单元进行通信，依次类推。

在单元示结构意图中，还增加了2条模拟信号线，因为倾角传感器既有数字量输出（通过SPI接口）也有模拟量输出（通过Vf端）。如果想直接采集到单元的模拟量，则增加模拟开关和模拟信号总线，当单元处于工作状态时，闭合模拟开关，把模拟量送到总线上。

1.2工作原理

主机启动一次数据采集时，首先闭合开关J1，总线VCC得电，所有单元同时上电，单元内的单片机开始工作。单元的工作分为待机、工作、透传3种模式。上电后，所有单元进入待机模式，主机先向距离最近的1#单元发出启动脉冲，1#单元由"待机"转为"工作"模式，它会启动传感器，点亮指示灯L1，表示本单元是活动的，这时，主机可以与1#单元进行直接的通信，命令1#单元的进行测量并读取数据，完毕后，主机发送结束脉冲，命令1#单元结束活动态。1#单元在向2#单元发送启动脉冲后进入透传模式。于是，收到1#发出的启动脉冲，2#单元成为活动单元，点亮指示灯L1，进入工作模式。由于1#单元的透传作用，主机可以直接跟2#单元通信，直到2#单元收到结束指令后，它启动下个单元，然后自己变成透传，这样依次类推，各个单元逐个变成活动单元，主机总是透过已经变成透传模式的单元，直接与活动单元进行通信，获取数据，直到全部单元都完成数据采集。

因此，在整个三线制网络中，只有一个是活动单元，活动单元前面，是完成了数据采集变成透传模式的单元；在活动单元后面，是等待启动的待机单元。主机能够直接与活动单元联系，使用灵活约定的协议和速率，是本文提出三线制线状组网的一大优势。

主机与活动单元通信时，可以直接使用单片机的串口通信模式，在数据量小的时候，约定使用较低的波特率可以获得较远的传送距离。用来启动和停止单元工作的脉冲命令，可以有2种形式：

（1）直接使用串行通信来改变单元的工作模式，只要约定主机下发给单元的串行数据命令字即可，例如约定0X55为启动命令，0XAA为停止命令；（2）使用脉冲宽度控制，只要命令脉冲与通信波特率通信脉冲有明显区别不产生混淆就可以，例如波特率使用1 200，启动和停止脉冲使用宽度为30 ms的低电平。

1.3特点分析

总结上述阐述，本文提出的三线制线状组网具有如下特点：

（1）自带电源：三线中有一根电源线，所有单元可以直接授电；（2）功耗低：工作过程中，只有一个单元是活动的，处于待机和透传模式的单元，可以关闭所辖传感器的供电，只让单片机带电，如果使用MSP433超低功耗单片机，100个单元的功耗也不会超过1 mA.

（3）协议灵活：主机是通过透传单元直接与活动单元通信，允许系统搭建者使用自己约定的通信协议；（4）传送距离远：主机是通过接力与每个单元通信的，只要每个单元之间能有效传送，多个单元构成的整个系统就能正常工作。

（5）扩展方便：当需要模式量传送时，只要再增加一条总线，每个单元增加模拟开关，活动单元把模拟开关闭合，该单元的模拟量就可以上传到总线上，送给主机。

（6）无需单元编号：主机是顺序与各个单元建立联系的，所有单元完全一样，没有地址编号环节，适合批量生产制作。

2程序编制

下面是主机和单元的程序编制流程与说明。

主机程序流程如下：

①上电→②等待采集时间到→③启动供电开关J1→④发出启动命令→⑤等待单元发回应答→⑥与单元通信完成采集→⑦发出结束命令→⑧判断单元是否全部完成采集→⑨关闭J1供电→回到②等待下次采集。

其中，在⑤如果等不到单元发回的确认，要回到断开J1回到③重新开始，如果多次重复均不成功，要做出错处理；在第⑧步，如果单元采集没有完成，则回到第⑤等待下个单元的回复确认。

对于每天只有几次采集的低频度情形，可使用低功耗定时振荡器，用硬件电路控制主机的CPU供电，达到采集时刻主机才上电工作1次，大大降低功耗，适合在野外现场做数据采集。

单元程序流程如下：

①上电→②等待启动命令→③启动传感器采集数据/点亮L1/与主机通信/完成数据采集→④等待结束命令→⑤向下个单元发送启动命令→⑥进入透传模式。

其中透传模式的编程框图见图3，思路如下：

（1）透传的含义是既可以从接收主机方向数据传给后面的单元，也可以从后面单元接收数据传给主机（2）认为常态是高电平，不停检测左右两边的电平，为高时表示没有数据传递。

（3）无论在哪个方向检测到低电平，都立即把低电平传输到另一个方向，直到这个低电平消失，便取消另一个方向的低电平。