基于电力线载波技术的系统设计

　　系统硬件主要由AT89C2051单片机主控电路、串行ADC0832模/数转换电路、LM1893电力线载波发送电路等三部分组成；软件以MCS-51汇编语言编制，并给出了软件设计的流程图。由于采集了电力线载波技术，该系统可用于远距离信号的测量和传输，具有较高的实用价值。

　　在现代生产过程的检测和控制中，电流参数的采集是最普遍最重要的项目之一。在一些数据采集系统中，测量现场距离较远且环境恶劣，计算机主控系统与测量装置、传感器远离。传统的方法是采用长距离的电费系统或通过无线电传输，但其成本较高或占用无线电频率资源。电力线载波技术很好地解决了这些问题。它只需利用现有的电力线就能可靠地传输数据。为实现远程数据采集和传输提供了极大的便利。

　　随着半导体传感器技术和通信技术的发展，使得实现低成本、高精度、高可靠性的电流数据采集，以电力线载波方式进行远程传输成为可能。在本系统中，电流数据采集用半导体磁阻式电流传感器（MRCS），单片机采用AT89C2051，电力线载波通用采用LM1893芯片。由于利用了电力线载波技术，数据远程采集不需要重新布线而是使用现成的电力线，降低了系统实现的成本和复杂性。因此这种系统在应用领域是非常实用的。

　　1 系统硬件组成及工作原理

　　1．1 电流传感器

　　利用锑化铟-铟（InSb-In）磁阻元件（MR）制成电流传感器（MRCS），这是一种基于磁阻效应的半导体传感器。它在保留霍尔电流传感器优良特性的同时，又具有结构简单、灵敏度高、体积小、线性度优良等优点。它的工作原理就是将能电导线周期的磁场转换成为之对应的电压信号，其特点是能很好地对微弱电流信号进行非接触式检测。其结构如图1所示，主要由导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永久磁铁、五个引脚组成。其中，MR1和MR2是相对旋转的一对磁阻元件，二者阻值相等。垂直放置于基片下的永久磁铁为MR1和MR2提供偏置磁场B，可以提高MRCS检测的灵敏度。待测电流流经的导线置于MR1和MR2对称轴的位置。当电流流过4、5引脚时，导线周围产生空间磁场，其磁感应强度为ΔB。这个空间磁场分别穿过MR1、MR2时，在某个瞬间方向相反，所以这个磁场与MRCS内部永久磁铁的偏置磁场B相叠加而产生的效果是使MR1和MR2的阻值一个增大，一个减小。根据欧姆定律，这种一增一减会使信号输出端2的电压变化幅度更大。依据这种电压变化，MRCS就能够检测、采集到电流信号。

　　由于电流传感器输出为电压信号，所以需要A/D转换器将输出电压转化为数字信号，以便单片机进行处理。图2所示是输出电压与待测关系的特性曲线。从图中可以看出，当电流为10～100mA之间变化时，输出电压由0.5V呈线性增大到4.5V，这说明电流传感器的输出具有良好的线性度。

　　1．2 LM1893

　　LM1893是美国国家半导体公司生产的电力线调制解调芯片，可实现串行数据的半双工通信，具有发送和接收数据的全部功能。采用18脚双列直插式，其引脚图如图3所示。它的主要引脚为：5脚（发送接收控制端）、10脚（载波信号的收发端）、12脚（解调数据输出端）和17脚（调制数据输入端）。它由发送电路和接收电路两部分构成。芯片的工作状态由5脚控制。当为高电平时，芯片处于发送状态；反之，则处于接收状态。发送电路部分由FSK调制器、电流控制振荡器、正弦波形成器、输出放大器和自动电平控制电路（ALC）构成。单片机将数据从17脚输入，由此输入的数据经FSK调制后形成开关控制电流，驱动电流控制振荡器产生三角，再由正弦波形成器形成已调正弦波信号，由输出放大器放大后，送10脚输出到电力线上。ALC则用以控制输出信号的幅值。18脚为外接电阻端，用以调节载波频率。通过调节5kΩ的可调电阻，LM1893的中心频率可以在50～300kHz的范围内选择。8、9脚用于外部放大管的射级和基极以提高发射功率。接收电路部分则由限幅放大器、锁相环解调器、RC滤波器、直流偏置消除电路和脉冲噪声滤波电路构成。载波信号由10脚输入，经限幅放大器放大后，送锁相环解调器（PLL）解调，解调输出通过RC滤波器、直流偏置消除电路滤掉直流信号和高频信号，最后经脉冲噪声滤波电路滤除信号中的脉冲干扰，从12脚输出解调后的数据信号。

LM1893的主要技术参数为：

（1）采用抗噪声的FSK数据移频键控制器；

（2）数据传输速率高达4.8kbps；

（3）载波频率可在50～300kHz之间选择；

（4）输出功率可以在1～200倍的范围内自由调节；

（5）与TTL、CMOS电平兼容；

（6）适合现有的各种电力线路。

　　1．3 系统硬件设计原理

　　如图4所示，整个系统主要由数据采集单元、单片机主控单元和电力线载波发送电路三部分组成。