水文缆道专用通信调制解调器研制

水文缆道专用通信调制解调器研制李攀峰(1河南工业大学电气工程学院，郑州，450007)摘要：为了解决水文缆道系统水文采样自动化程度不高，采样时间长等问题，文章提出了使用单片机为核心，利用缆道来传递信息，采用数字脉冲调制编码的电流场通信技术。采用这种技术实现了水文缆道采样器与岸上控制装置之间的无线双向通信，解决了多仓采样器的无线控制问题。作者详细介绍了无线遥控的通信原理和组成结构，并对信号传输协议做了剖析，总结了系统稳定可靠，抗干扰能力强等特征，对其应用领域作了展望。关键词：缆道；悬移质；采样；单片机；遥控器；编码中图分类号：文献表识码：A在我国河流悬移质测验中，广泛采用横跨河流的不绝缘缆道悬挂铅鱼和采样器于河水中采集悬移质水样的作业方法[1]。对于同一个断面，每次需多点采集才能保证测验结果可靠。传统上，一直采用缆道悬挂载人吊箱于采样器上方的河面上，对水中的采样器进行人工手动控制。这种作业方式工作量大、危险性强、自动化程度底。水文工作者在这方面进行了大量的研究，虽然研制出了各种无线遥控的悬移置采样器，但是多数只是实现了从岸上向水下发送信号，仅能实现单采样仓的单向无线控制，并且存在安装操作麻烦、可靠性差等问题。本文提出了使用单片机为核心，利用水文缆道来传递的电流场通信技术。实现了水文缆道采样器与岸上控制装置之间的无线双向通信，成功解决了多仓采样器的无线控制问题，并可对采样仓的动作进行有效的监控。1通信原理信息，采用数字脉冲调制编码技术场通信基本原理流场来进行通信的。如图1传输示意图，信号以电缆道无线通信[3]。1.1电流水下无线通信是利用水下电所示，在距离为d1的两个水下电极A1、B1上加上电压US时，利用水体的导电能力，可在水中形成电流场[2]。这时，如果在距离该电流场中心线r处设置两个距离为d2的检测电极A2、B2，则在电极A2、B2上将会检测出电位差U。反之，在水下电极A2、B2上加上电压时，图1电流场通信原理同样在水中形成电流场，并且也能够在电极d2d1rB2A2B1USA1U电流线A1、B1上检测出一定的电位差。利用这个原理，即可实现水下电流通信。1.2缆道无线通信图2是缆道信号无线流场的形式进行传输。水下信号源的一端经悬索和缆索与岸上接收器的一端相连。另一端通过铅鱼、河水、大地将信号传至岸上接收器的另一端。由于缆道、悬索、铅鱼都处于大地和河水这样无线大导体中。信号图2的传输回路电流都分布式的。这样入水钢索、铅鱼、大地之间都存在着联系2系统组成水下信号源铅鱼绝缘子悬索水面缆道支柱滑轮V电极接收器系统采用在原有缆道基础上加装遥控系统方式。如图3所示，工作时采样器悬挂于悬索上，伸入河道中。采样器自身携带电源，各采样仓由电磁阀分别独立控制。控制系统由岸上监控设备和水下遥控接收器组成。如图4所示，岸上监控设备主机为AT89C51，它具有20kFlashRAM大容量的存储空间[4]。采用2-Wire大容量AT24c256串行储器提供256KEEPROM存储空间，节省I/O端。语音提示采用串行语音芯片ISD4002，实现最长8分钟语音提示。LCD显示采用点阵液晶显示屏HY12864。调制模块对主机发出控制命令的编码进行调制。解调模块对接收到的信号解调，去掉载波，送主机进行解码。水下电极遥控接收器铅鱼绝缘子悬索水面河底采样器缆道支柱滑轮岸上接收设备河低电极图3系统组成结构图单片机AT89C51调制键盘语音芯片ISD4002串行FLASH存储器AT24c256RS232通信接口MAX232解调LCD驱动器信号接收信号发送图4岸上监控设备原理如图5所示，水下遥控接收器由AT89C51、调制、解调、电磁阀驱动器以及电磁阀状态指示等模块组成。单片机AT89C51调制电磁阀状态指示解调电磁阀驱动器信号接收信号发送图5水下遥控接收器原理岸上监控设备发出控制命令，经载波调制放大后，以电流场的形式向水下发射；水下的遥控接收器接收到载波信号后，经遥控接收电路放大、解调，还原出数字编码脉冲信号，送单片机AT89C51解码，得到二进制遥控指令编码，然后输出控制信号给水下电磁铁驱动电路，控制水下电磁铁动作，操纵采样器仓门关闭，采集一个水样。同时，水下遥控接收设备及时将水下采样器的状态以同样的方式发送给岸上监控设备；岸上监控设备语音报告水下采样器的动作，并在液晶屏幕上显示采样仓动作情况。3调制解调及通信协议3.1调制解调模块考虑到调制解调时可靠性，利用红外线专用接收集成芯片CX20106进行调制解调，其内部结构框图如图6所示。前置电路将接收到的信号，转换成CX2010可以接收的标准数字信号，送到CX20106的①脚，CX20106的总放大增益约为80dB，其⑦脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5~5V范围内。总增益大小由②脚外接的R1、C1决定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值过大时将造成频率响应变差，C1为1uF。采用峰值检波方式检波电容C2为3.3uF。R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻。积分电容C3取330pF。经CX20106处理后的脉冲信号由⑦脚输出给AT89c51进行译码处理。前置放大整形输出积分比较峰值滤波通带滤波限幅放大自动偏置87654321R1C3R2C14.71.0uFC2输出+5V220kR3330pFΩΩΩ220k330pF图6CX20106内部结构框图3.2通信协议信号采用二进制脉冲调制编码传输协议[5]，“1”和“0”是以脉冲的周期来表示，代码“1”的低电平宽为0.5ms，高电平宽度为1.5ms，其周期为2ms;代码“0”的低电平宽为0.5ms，高电平宽度为0.5ms，其周期为1ms代码波形如图7所示。在通信中，数据或字符是以帧的形式传送[6]。一帧编码信息采用10位的帧格式，起始位标志为2ms的低电平和1ms的高电平，然后是8位数据和奇偶校验位（可省略）。例如采样仓1的二进制代码为10.5ms1ms1.5ms2ms代码“0”代码“1”图7通信协议1111101B,调制过程波形如图8所示。5结语03年系统在某水文站600m长的水文缆道上研制成功，设计采样仓为4个，并且每个采缆道信号传输的研究[J].水文,2001,21(4):22-23.社,2001.29-35.8-288.1.研和教学工作。图82#按键的二进制脉冲编码调制载波信号波形20样仓可单独任意控制，一次下潜可完成4个点的采样。经多次试验表明使用这种无线遥控采样系统操作简单灵活，效率高，灵敏度好，可靠性强。并且使得采样周期大幅度缩短，具有很高的实用价值。同时该系统在环境保护、港口建设等领域也具有很好的应用前景。参考文献：[1]戴建国.水文[2]陈乃云编.电磁场与电磁波理论基础[M].北京:中国铁道出版[3]长江流域规划办公室水文处主编.水文缆道[M].北京:水利电力出版社,1978.27[4]余永权.Atmel89系列单片机应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.25-3[5]张卫刚编.通信原理与通信技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2003.61-63.作者简介：李攀峰（1976—），男，汉族，河南郑州人，硕士，讲师，从事自动化技术科Email：[e-mail]电话：[phone]A13us二进制数脉冲编码信号1111101(a)