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基于直流载波的高精度两线制变送器设计

王军舰　阳威

摘 要 本文介绍了基于直流载波的高精度两线制变送器。先介绍了工业上普遍使用的变送器的接线方法及优缺点，然后提出本设计的方案并对硬件设计进行了详细阐述。本变送器传感器选择范围宽、成本低、精度高、传输数据稳定、误码率小。
关键词 直流载波 高精度 两线制
：TH811 ：A
1概述
工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度、流量等，通常需要转换成电信号再传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4～20mA电流来传输模拟信号，或用RS485传送数字信号。
电流型变送器将物理量转换成4～20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器，如图1 a）接法。当然，电流输出可以与电源共用一根线（共用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器，如图1 b）接法。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。省去2根导线意味着成本降低，因此在应用中两线制传感器必然是首选。通常做法如图1 C）接法，变送器和传感器从4～20mA中取电，将其工作电流控制在4mA以下，此处难点在于变送器和传感器工作电流必须限制在4mA以下，很多场合受此限制，传感器精度不高或难以实现。
采用RS485传送数字信号，可以很好的将传感器信号较小误差传送到控制室，因其工作原理决定，必须另外增加2根电源线，如图2接法，不能实现两线制传输信号。
2方案设计
有没有一种办法既实现高精度又实现低成本二线制传输呢？答案是肯定的，本文作者设计一种基于直流载波的高精度两线制变送器。其工作原理如图3所示，变送器将传感器信号统一为数字信号然后调制到直流电源线上，在接收端，再将调制信号解调还原出原始数字信号，在功耗允许条件下多个变送器可以级联，进一步节省成本。
3硬件设计
直流载波调制芯片 BSC6823 是一款无需软件设置，串口速率智能自适应的最简化直流线上通讯芯片。使用起来非常容易。SO8 封装，外围电路简单，无需磁耦合器，功放电路简洁。BSC6823 可将串口（UART）的数据信号，以小于 57.6kbps 或者 128kbps 的用户有效实时速率透明转换为载波信号，并经过电源线，与远端其他设备進行半双工通讯。支持直流线、冷线应用。通讯时无任何包间隔，正真的透明传输。适用于大于 5V 的直流电压。任意节点电流可达 10A 以上。BSC6823M最大可达57.6Kbps，BSC6823H最大可达128kbps，传输距离可达1公里左右，可实现20个以上节点通讯。
表1：芯片管脚功能表
芯片管脚功能表见表1，电路图如图4所示，其中U7的第8脚RXD为载波芯片串口接收管脚，来自单片机的串口发送管脚TXD，U7的第7脚TXD为载波芯片串口发送管脚，来自单片机的串口接收管脚RXD，U7的第3脚TXD_EN为载波收发使能，来自单片机的IO口，控制载波芯片和单片机通信，高电平接收来自单片机数据，低电平发送数据给单片机。
其工作过程如下，变送器的主控单片机正常处于待机状态，TXD_EN为低电平，当系统控制器发送n号变送器采集数据指令信号调制到电源线上，经C401、C411电容耦合送入到U4，将电流信号转换为电压信号，从U4的1脚输出，经过R701输入U7的1脚，在U7内部放大、解调、整形还原出数字信号从U7的7脚输出经R705送入变送器的主控单片机，变送器的主控单片机接收到系统控制器指令后，判断是否从机号是否是本机，如果是再判断指令类型，先将TXD_EN设置为高电平，将对应的数据从变送器的主控单片机TXD发出，经R708输入到U7的8脚，经内部调制、功率放大，从U7的5脚输出，经R703输入到U4的4脚，U4将调制后的电压信号转换为电流信号从C401和C411耦合到电源线上，至此整过通信过程完成。
4结论
本设计经过实验验证，使用双绞线屏蔽线在1km内可实现57.6Kbps稳定数据传输。本设计优点，传感器电源供电稳定充足，传感器选择范围宽，采用两线制节约布线成本，传输过程中采用数字调制信号，避免4-20mA信号转换误差，实现较小误差将传感器数据传输到控制室，传输数据稳定，误码率小。因此本设计可以广泛应用于工业生产中。
参考文献
[1] 北京伯盛威科技有限公司.直流线上通讯芯片BSC6823数据手册[M].北京.北京伯盛威科技有限公司，2014.
[2] 中国电子学会敏感技术分会，北京电子商会传感器分会.传感器与执行器大全[M].北京：机械工业出版社，2010.

-全文完-