什么是双线变送器

双线变送器的优势是什么？~

双线变送器无需使用交流电源即可 在远程位置运行。 由于变送器通过 低电量4 ~ 20 mA输出电流信号 供电，因此远程位置无需额外提 供电源。此外，运行所需的普通 24 Vdc信号是大量仪器生产厂的 标准信号。对双线变送器用户而言，电噪声和 信号衰减不成问题。 当周围有电噪 声时，变送器的电流输出信号自身 会产生很高的抗扰性。通常情况下， 输出电流中出现的任何噪声都可以 通过接收设备的共模抑制消除。另 外，电流输出信号不会像多数电压 信号那样随着距离而变化 （减弱）。使用双线变送器可以大幅降低电缆 成本。 热电偶产生的低电压信号在 发送至任何远距离位置时，几乎总 是需要使用屏蔽电缆。如果使用非 屏蔽电 缆传送这些信号，来自电弧 放电继电器、电机和交流电源线的 环境电噪声会加重对信号的破坏。 另外，在需要较长电缆的应用中往 往要安装昂贵的粗电线（因为这样 可以减少因线路电阻导致信号电压 下降所引发的错误）。

将供电的电源线和信号的传输线合并起来，一共用了两跟导线

随着社会经济的高速发展，发达国家和发展中国家都面临着严重的环境污染问题，环境保护日趋严重。我国政府和环保管理部门会同各方力量，投入大量资金用于环境的治理。但由于种种原因环保设备的运行情况并不理想，运转率得不到有效的保证。在当前控制污染、保护环境的工作转向以总量控制为主的形势下，必须通过行之有效的监督检查来保证环保设备的有效运行。环保设备运行率是国家对城市治污定量考核的一项重要指标，因此对环保设备的运行情况进行检查和监测已成为迫切需要解决的问题。我们在研究总结国内外有关先进管理技术和经验的基础上，研制了“多通道环保设备运行监测系统”。通过实时检测环保设备的工作电流，对设备的运行情况(如开机、关机、工作正常、工作异常)进行24小时的连续监测并自动记录及做异常报警。对监测系统自身的工作情况(如上电、断电)也可自动记录，根据记录数据计算出环保设备的运行率。该系统的研制成功可提高环保设备的运行率，减轻监测管理人员的劳动强度，使环境监理走上科学化和规范化的轨道。该系统经适当变化，还可用于一般的电动力设备运行情况的监测。

1 系统工作原理
对环保设备运行情况的监测主要是依据对设备动力线工作电流的监测。工作电流从无到有的跳变(颤抖除外)即为开机，相反则为关机。而工作电流超过额定值时则表明设备出现工作异常，如电机闷车等，应及时做出异常报警；当工作电流低于某下限值时则表明设备没有满负荷工作或可根据下限值的大小而认为设备处于关机状态。工作电流由电流变送器实时检测，并将测量结果送入单片机监测系统。单片机判断设备的开关状态，并根据预先设置的标准运行时间计算出每天的开机时间、关机时间、运行率等，并做记录存储，同时根据设置的上下限值判断设备是否工作异常并做异常报警。监测系统要具备参数设置、监测、记录、显示、报表打印及报警等功能。为集中管理，系统还具备与上位PC机通信的功能，可以将所记录的数据传送给上位PC机，便于数据的统计及设备运行的统一管理。

2 系统组成
环保设备运行监测系统采用两级结构，上位管理机和下位监测机。
上位管理机为386以上PC机，管理软件使用Visual Basic在Windows环境下开发。通过RS-232接口与下位监测机通信并完成数据接收，根据选项做参数设置、数据统计、数据存储、绘图及报表打印等工作。使用单位可根据需要选配上位管理机，或环境监理部门定期携带便携机到各单位采集数据。
下位监测机是以MCS-51系列单片机为核心的应用系统，除监测、数据记录的作用外，也具备参数设置、显示、报表打印及报警等完整的独立使用功能，系统结构框图如图1所示。

图1 监测系统组成结构框图压。

2.1 输入模块
电流变送器的输出为4～20 mA的电流信号(详见第3节)，通过250 Ω的精密电阻转换成1～5 V的电将模拟电压信号转换成数字信号有多种方法，由于该系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。系统的输入模块采用压频转换器件LM331将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件TL117进行模拟量与数字量的隔离。同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。利用压频转换器件也有一定的抗高频干扰作用。
使用一个8路模拟开关对8路传感器信号进行分时处理。8031单片机的两个定时/计数器一个被设定成定时方式，另一个被设定为计数方式。通过在一定时间间隔内对来自模拟开关的输出并连在T1上的外部频率脉冲进行计数，即可得到相应的电压值，也即测得了环保设备的工作电流。
2.2 通信模块
为接收来自上位机的管理和向上位机传送测量数据，测量系统应具备与上位PC机通信的功能。由于数据传输的实时性并不是主要问题，不需考虑传输时间的快慢，因此通信模块采用串行方式，这样可简化通信线路，提高工作可靠性。
2.3 程序与数据模块
程序存储器选用27C64，数据存储器选用2片与6264完全兼容的掉电不挥发RAM，它自带备用电池，保证了系统在断电时不丢失已记录的数据。
2.4 复位、低电位检测和看门狗模块
监测系统除了要监测环保设备的工作电流外，它的另一个重要功能是监测并记录环保设备和监测系统的上电和断电时间。此外，为保证系统在无人看护的情况下长期可靠地工作，避免单片机系统在受外界干扰时而发生程序“跑飞”现象，应在硬件或软件上采取措施提高系统的抗干扰能力。为此，系统采用了MAX813微处理器监控电路来完成上述功能，电路组成如图2所示。

图2 复位、低电位检测和看门狗电路

S为系统复位开关。PFI为低电位监测输入端，当其上的电压小于1.25 V时，PFO将由高电平变为低电平，8031检测P1.6脚电平的变化便可得知电源上电或掉电的情况。WDI为看门狗输入端，如果WDI保持高电平或低电平不变超过1.6 s，其内部看门狗定时器会使看门狗输出端WDO变为低电平，发出复位信号给8031，使程序重新从头运行，避免程序的“跑飞”。在软件的设计中，正常工作时每隔一定时间(＜1.6 s)置位或清零8031的脚P1.7，使WDI的电平发生变化。
2.5 键盘和显示模块
为使系统操作简便并充分利用单片机资源，系统并未使用标准键盘显示接口电路8279，而是利用8155扩展口连接一个6键的键盘和4位LED数码显示管，并用8个发光管做为各通道工作的标志。在6个键中，除“打印”、“通信”键外，其余4键均为多功能复用键，通过键与键的组合完成参数设定、参数修改、检测和显示等功能。
2.6 其他
日历时钟芯片采用DS12877，时钟免维护时间＞10年，并自带备用电池。该芯片用于读取设备启动或关闭时的时间，在设备运行正常时用于提供仪器所显示的当前时间。
系统所连接的μP40微型打印机在需要时可打印出最长为一年的详细设备运行情况记录，包括年、月、日、开机时间、关机时间、运行率等。
系统可对各通道的工作异常情况做出声光报警，报警时相应通道的标志灯闪烁，蜂鸣器同时发声。

3 双线制电流变送器
电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。小信号双线变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。
我们以B-B公司生产的XTR101小信号双线变送器件为核心设计了小型、价廉的双线制电流变送器。它具有低失调电压(＜30 μV)、低电压漂移(＜0.75 μV/C°)、低非线性度(＜0.01%)的特点。它把现场设备动力线的电流转换成4～20 mA的标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于监测系统的电源送到电流变送器中。测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力加强。电流变送器原理如图3所示。

图3 双线制电流变送器原理

本监测系统的主要问题是如何将被测信息有效地传入下位机系统中。传感器采用了双线制电流变送器，输入信号以电流的方式进行传输，进入下位机系统后再进行I/V变换及V/F变换，转换为数字量后进行运算、判断和存储等功能。这在一定程度上具有较高的抗干扰能力，而优点在于只需用一个下位机即可对多路设备进行监测管理。为进一步提高系统可靠性，避免以模拟信号进行长距离的传输，可采用一种分布式结构，即将传感器与数据采集系统集成与一体，构成对环保设备运行情况进行时实监测的所谓“黑匣子”，需要时用上位机对“黑匣子”中的原始记录数据进行收集处理。这样传输的信息是以数字量代替了模拟量，虽然需要对每个被监测设备配备单独的下位机数据采集系统，但数据传输的可靠性有望进一步提高。

4 系统软件
4.1 上位机部分
上位机软件采用Visual Basic语言编程，以获得较好的灵活性和开发透明性；又便于日后系统的维护和功能扩展。上位机管理软件的功能包括与下位监测机的通信并完成数据接收，根据选项做设备编码、日期、标准运行时间和工作上下限等参数的设置，数据统计和数据存储，直方图显示设备运行率和月报表打印等。全部操作使用热键或鼠标单点菜单或按钮完成，非常简单方便。
4.2 下位机部分
下位机以8031为核心，其主要功能是完成对各通道设备的工作电流进行检测，对设备的开启时间、关闭时间、系统上电和掉电时间进行记录，对异常工作情况做出报警等。在独立工作的情况下还可完成参数设置、设备运行率的统计及报表打印等功能。此外还有与上位机的通信。

5 单片机系统与上位机的通信
5.1 上位机的通信
Windows的串行通信驱动程序是中断驱动的。每接收到一个字符就会产生一个低级硬中断，串行驱动程序会立即取得控制权并将字符放入用户定义的输入数据缓冲区，然后再将控制权返回给正在运行的那个应用程序。发送数据的处理类似于接收数据的处理。应用程序把要发送的数据放入输出缓冲区，每当串口硬件发送一个字符就会产生一个低级硬中断，这时如果输出缓冲区中还有待输出字符，串行驱动程序就会将此字符送到串口以备输出。
VB中包含有MSCOMM.VBX的用户控件，它提供了通过串口发送和接收数据的通信能力，使用户能方便地访问Windows串行驱动程序的大多数特性。通信控件的主要属性有以下几个，CommPort：设置或返回通信端口的编号；Settings：设置或返回串行通信的波特率、校验方式、数据位、停止位等参数；PortOpen：设置或返回通信口的状态(打开或关闭)；Input：从接收缓冲区取出字符串，Output：向发送缓冲区写入字符。
在一个表单中加入通信控件，设其名为Comm1，在再Form-Load()事件过程中加入以下几行程序，即可用Input和Output通过串口来接收和发送数据了。
Sub Form-Load()
Comm1.CommPort=1； 使用串口1
Comm1.Settings=“9600,N,8,1”；波特率为9600，不校验，8为数据位，1位停止位Comm1.PortOpen=True；打开串口
……
End Sub
接收字符的语句为：InString=Comm1.Input，InString�为接收来的字符串。发送字符的语句为：Comm1.Output=OutString，OutString�为将要发送的字符串。
5.2 单片机的通信
单片机通信的主要语句如下：
COM：MOV SCON,#50H；置串行口工作方式1，允许接收
MOV TMOD,#20H；定时器1为工作方式2
MOV TH1,#0FDH；设置波特率为9600，晶振频率为11.0592
MHzMOV TL1,#0FDHSETB TR1；启动定时器1SETB EA；开中断SETB ES；串行口开中断
……
MOV SBUF,A；发送数据，A中为要发送的数据
WAIT1：JNB TI,WAIT1
CLR TI
……
WAIT2：JNB RI,WAIT2；接收数据，接收的数据入A
CLR RI
MOV A,SBUF
……
为了保证数据传送的正确性，在数据传输程序中还要有数据校验的语句块。

作者单位：天津大学精密仪器及光电子工程学院(300072)

参考文献

[1]何立民.MCS51系列单片机应用设计——系统配置与接口技术.北京：航空航天大学出版社
[2]MAXIM热门电路手册
[3]李阜等.Windows环境下的串口异步通讯程序设计.电子技术应用,1997,(2)：37～40

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