便攜式位置探測儀信號接收裝置電路設計

沈金鑫，夏 靜

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

在對航空輸油管線進行清管作業過程中，清管器會在管道轉彎等處發生卡堵，為了快捷地找到其卡堵位置，在清管器內安裝信號發射裝置，連續發射出電磁脈沖信號，通過地面探測儀接收，可以指示出清管器的運行位置。一旦因管線內部出現情況而造成清管器卡堵在管線內，通過地面探測儀跟蹤發射的信號，可找到其卡堵位置并精確定位，這為管線清理的故障排除提供一個準確可靠的依據。

接收裝置分為兩套設備，即接收傳感器和信號處理設備。接收傳感器由工作人員握在手里進行探測，信號處理設備由工作人員背在肩上。工作人員背著信號處理設備，手持接收傳感器沿著管道前進，在發射裝置發射的信號的有效發射范圍內，接收傳感器會感應到該信號，將該信號接收并傳送至信號處理設備。信號處理設備對信號進行解碼、識別，如果是所發射的信號則報警并顯示找到目標。接收裝置必須完成兩個功能：一方面它要對信號進行放大、濾波、解碼及識別；另一方面還要對信號的強弱進行測量，從而可以估算清管器卡堵位置與接收裝置之間的距離，這樣工作人員就可以判斷出清管器的大概方位。

接收裝置屬于便攜式設備，操作者隨身攜帶，這就要求其體積小、重量輕、續航時間長。為了減少探測儀的體積和重量，應盡量使用貼片元件、功能集成的IC和減小元件之間的布線距離。比如Microchip公司的PIC單片機就把CPU、ADC和脈寬調制等功能集成起來，使其成為一個獨立單片系統[1]。選擇功能集成的芯片對于儀器的低功耗設計也是很有好處的。電路板布線時，在滿足抗干擾性的條件下，盡量把元器件擠在一起。布線不通時盡量考慮增加線路板的層數，而不是擴大面積。另外與一般儀器不同，為了有效的利用空間，便攜式儀器的線路板在設計時就要考慮到其使用情況，在電路特性允許的情況下，布局布線和線路板形狀等都盡可能地兼顧外殼設計。

1 接收裝置電路原理及設計

接收裝置電路主要包括以下幾個部分，即電源電路、電源電壓檢測電路、主從MCU電路、從MCU開關電路、實時時鐘電路、EEPROM接口電路、信號接收電路、前置放大電路、濾波放大電路、施密特觸發器、解碼模塊接口電路、A/D轉換電路、上電自檢電路、液晶顯示接口電路、報警電路。系統由電源電路產生各個芯片所需要的工作電壓及參考電壓；由主從MCU電路控制各個部分的協調工作。

1.1 電源電路

電源電路給接收裝置的所有元件提供工作電壓。儀器電路有各種各樣的芯片，因此需要的電壓也較多，累計有±15 V電壓（為放大濾波等電路提供工作電壓），+5 V電壓（為MCU等芯片提供工作電壓），+2.5 V電壓（為編碼模塊提供參考電壓）。這些電壓都是從接收裝置上自帶的+6 V電池經過轉換分壓后獲得，接收裝置的電源電路如圖1所示。

圖1 接收裝置電源電路圖Fig.1 Frame chart of the receiver

1.2 電源電壓檢測電路

電源電壓檢測[2]是比較重要的部分，防止電源在低能量水平下運行時的不可靠性，預先的檢測可以估計電池的續航時間。當電池低于最低限度時候發出警告，以提示工作人員及時更換電池。在接收裝置中利用繼電器進行外界信號和電池電壓信號的切換，繼電器的輸出端接至ADC的輸入端，輸入端中常開節點接電池的輸出端，常閉端接在外界信號的輸出端，在需要檢測電源電壓時，由從MCU控制繼電器吸合，電源電壓送給ADC輸入端，這樣ADC測出的電壓就是電池的電壓。

1.3 主從MCU電路

接收裝置的主MCU （AT89C2051）電路和從MCU（W78E58BP）電路的時鐘電路和復位電路相同。

1）時鐘電路

考慮到本系統沒有可用的時鐘而且沒有必要取得時鐘上的同步，因此本接收裝置的時鐘電路采用內部方式。外接晶振以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中，這時內部振蕩器會產生自激震蕩。外接電容C1和C2通常選擇為30 pF左右，外接陶瓷諧振器時，C1和C2的典型值約為47 pF。在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶振元件，內部振蕩電路就產生自激振蕩。圖2為內部方式時鐘電路圖。

圖2 時鐘電路Fig.2 Clock circuit

2）復位電路

復位電路的核心就是必須保證RST引腳上出現10ms以上穩定的高電平，這樣才能實現可靠的復位。該接收裝置不需要開關復位，只需要上電復位即可。

1.4 從MCU開關電路

接收裝置含有主從MCU，主MC U在目標尋找工作中擔負著主要的信號識別任務。在沒有信號的時候，從MCU停止工作，這樣可以節省電能，延長尋找時間，增加成功尋找目標的可能性，從MCU的打開和關閉是由主MCU控制開關三極管來實現的，電路設計簡單，實現方便。

1.5 實時時鐘電路和EEPROM接口電路

接收裝置選用DS1307作為實時時鐘芯片[3]，用AT24C02作為EEPROM來保存儀器使用中的各種信息，這兩種芯片都是串行I2C總線芯片，其接口電路相似，使用從MCU模擬I2C時序，接口電路如圖3所示。

圖3 DS1307、AT24C02和MCU的接口電路Fig.3 Interface circuit of DS1307，AT24C02 and MCU

1.6 信號接收電路及前置放大電路

信號接收傳感器只負責信號的接收工作，前置放大電路的作用一方面是初級放大輸入信號，另一方面是給輸入電路提供很高的輸入阻抗。輸入阻抗越大，對被測電路工作狀態的影響越小，輸入越準確，同時信號源的負擔也越輕，這樣才不至于受到信號傳感器阻抗的影響。前置放大電路的主要組成是同向比例放大電路，如圖4所示。

圖4 信號接收及前置放大電路Fig.4 Amplifier circuit of signal receiving

1.7 濾波放大電路

從信號接收傳感器送來的信號往往是非常微弱的，而且含有雜波信號，為了取出有用的信號并抑制噪聲，必須對信號進行濾波。濾波電路中最重要的部件是濾波器。MAX260[4]系列芯片的編程輸入總線比較簡單，它包括2條數據線D1、D0和4條地址線A3—A0，另外還有一條寫允許控制線WR，通過主MCU（AT89C2051）的P0口對濾波器芯片進行參數設置，具體連接如圖5所示。在濾波器的輸出中，可能會由于邏輯輸入躍變而產生某些噪聲，所以在輸入端加了74HC374數據緩沖器來避免產生這種噪聲。

圖5 MAX260與MCU接口電路Fig.5 Interface circuit of MAX260 and MCU

1.8 施密特觸發器

外界信號經過信號接收傳感器，再經過濾波放大后的信號并不是很規則的正弦波信號，經過施密特觸發器[5]后其輸出是很規則的方波信號，而頻率并沒有改變。適當改變施密特觸發器的觸發電平，可以產生TTL電平所需要的脈沖信號，將這個信號送給主MCU，主MCU就可以對信號進行識別，從而可以探測目標所在。

1.9 解碼模塊接口電路

該解碼模塊接線只需要4根即可，即OUT、CLK、CS、IN。AT89C2051不用的某個I/O口的3根線和編碼模塊中除IN外的3根線連起來即可。

1.10 A/D轉換電路

選用A/D芯片MAX195，圖6為ADC與MCU的接口電路[6]。MCU和MAX195的接口電路簡單，只需MCU兩根線就可以實現轉換功能，MAX195的輸出需要引回到MCU，從而對其輸出的數字量進行處理。其中MAX195的1腳即BP/UP/SHDN懸空表示雙極性輸入，正負信號都可以進行轉換。

圖6 ADC與MCU接口電路Fig.6 Interface circuit of ADC and MCU

1.11 上電自檢電路

上電自動檢測電路是系統上電時必須執行的一個環節，用來檢測儀器的工作狀態是否正常。該塊電路實際上是由主從MCU共同實現的，自檢時主MCU通過自帶的編碼模塊產生和發射裝置所發射的同頻率同節拍的編碼信號，該信號送到信號接收傳感器，然后信號就像外部接收到的信號一樣經過隔離、放大濾波，經施密特觸發器并解碼送給從MCU，然后從MCU對該信號進行檢測，如果檢測成功則表示儀器工作狀態是好的。通過自檢電路可以檢測接收裝置中的主從MCU、施密特觸發器、編碼模塊、接收傳感器、濾波放大電路等等是否工作正常。

1.12 液晶顯示接口電路

內藏T6963C的液晶顯示模塊與MCU的接口方法是間接連接方式[7]，即通過并行接口間接實現對液晶顯示模塊的控制。根據液晶顯示模塊的需要，并行接口需要一個8位的并行口和一個3位的并行口，如圖7所示。由該圖可知，W78E58BP的P0口作為數據口線，P3口中3位作為讀、寫及寄存器選擇信號。由于P0口只用于液晶顯示模塊，所以CE信號就直接接地了。

圖7 液晶顯示模塊接口電路Fig.7 Interface circuit of LCD module

1.13 報警電路

報警電路是當接收裝置遇到以外情況（例如電池電量不足、產生故障）或接收到信號時向工作人員進行提醒，包括蜂鳴器的鳴叫和發光二極管的閃爍。用蜂鳴器的鳴叫次數并配以發光二極管的閃爍次數來提示遇到的情況，同時可以從液晶顯示器上獲得探測的信息。

2 結 論

該探測儀信號接收裝置的電路設計，經過調試，其可靠性和各項性能指標已經達到設計要求。電路中大量應用單電源低功耗芯片和貼片式元器件，節省了電源的使用，降低功耗，而且減少了元器件的數量，使得電路板小巧、輕便，實現了便攜式的要求。經樣機試驗測試，該探測儀可以在半徑6m的范圍內識別發射器發射的電磁脈沖信號，并能夠實現清管器位置的準確定位。

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