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电力线载波油井通信系统

时间:2015-09-22  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

2.2 PIC18控制模块与载波模块电路设计

如图2所示,该电路由6个部分组成,它们集中在一块电路板上。单片机与SSCP485之间的通信,通过单片机串口和某些IO端口实现,SSC P485的4 MHz时钟输出提供单片机的时钟。在接收模式下,模拟信号通过电力线耦合,经过接收回路将信号传输到SSCP485,并将模拟信号转换成数字信号让单片机读取;在发送模式下,单片机将所要发送的数字信号通过写命令将数据写入SSCP485,在下个时钟脉冲到来时,SSCP4 85将数字信号调制为模拟信号,以Chirp波形输出,通过输入带通滤波将干扰滤除后,再通过信号放大电路将信号幅值放大,最后由耦合器耦合到电力线上。

电力线载波油井通信系统

井下通信模块的MCU程序完成以下主要功能:

(1)采用单片机的ADC数字化采集系统,对各类传感器进行信号采集、处理、监测。

(2)对发送信号进行纠错编码,编码类型选择BCH。

(3)向扩频载波芯片传送数据。

(4)控制通信模块SCCP485工作和系统的工作。

(5)井上通信模块MCU程序完成:接收信息数据包、对接收进行解码、恢复各传感器数据。

(6)对井下传感器的采集数据处理计算,将压力和温度转换为液面高度,并且进行记录。

(7)将液面高度和井下传感器状态数据打包,传送到上位机。

3 耦合电路

3.1 低压电力线网络噪声

低压电力线系统上的噪声较为复杂,不仅因为它是一个时变系统,而且会因接入不同的电器对系统的信号产生回波、驻波、谐振等影响。低压电力线上的噪声可分为以下几类:

(1)有色背景噪声。是由电力线上许多小功率噪声源叠加而产生的干扰,是一种随时间缓慢变化的随机干扰,其功率谱密度(PSD)随频率的增加而降低。

(2)窄带噪声。是一种频带很窄的噪声,多为调幅的正弦信号,主要由中短波广播信号的干扰而产生,其强度在24h内变化。

(3)与工频异步的周期脉冲噪声。这种噪声主要由开关电源产生,大部分按50~200 kHz频率重复,在频域上是一些离散谱,而这些频率上的噪声与Chirp波形同处于一个频带内。在实验初期,通过电力线传送的数据经常产生误码,主要就是第3种类型的干扰导致。通过FFT分析发现,这种高频噪声分布在100~400 kHz之间,而且幅度较大,使信噪比低于0.5。

电力线载波油井通信系统

如图3所示,有剧烈抖动的曲线信号为从1:1耦合器次级测得的市电干扰。试验中,将市电经过简单的高通滤波器,滤除50 Hz及其谐波的干扰,发现仍有高频噪声,此即周期脉冲干扰。下侧图像为其FFT,两根粗垂线之间代表100~400 kHz频带,可见,周期脉冲噪声与Chirp信号处于同一频带范围内,所以该噪声会使信号产生乱码。

3.2 耦合电路设计

为消除周期脉冲的干扰,针对其频率设计了专门的耦合电路,如图4所示,由两部分组成,分别是预滤波电路和高通滤波电路。

电力线载波油井通信系统

首先介绍RC电路:C2为1μf电容,耐压为270 V;R3为1 MΩ;功率为100 W。在加市电信号后,电容将50 Hz及其谐波等低频部分保留到RC网络上,将高频部分传递至变压器原级。但RC电路不能完全消除高频噪声,所以需要加入预滤波电路。

电力线载波油井通信系统

预滤波电路在市电接入前放置,也就是电力线与通信系统接触前,通过一个RC低通滤波网络,这可在市电作为通信信号载体之前,将其固有的周期脉冲噪声滤除,而且对后续的系统工作不会产生负面影响,低通滤波器的频域分析如图5所示。

4 结果与分析

结合扩频通信技术和耦合器前端滤波设计,进行了400 m,600 m,1 000 m,1 200 m的数据发送接收实验,符合预期结果,截取的数据信号如图6所示。

电力线载波油井通信系统

实验在1 200 m时,一串数字信号通过电力线传递的验证试验。信号在单片机与电力线载波模块之间以数字形式传递,在电力线上表现为模拟信号即Chirp波形。如前文所述,Chirp波形用两种相位表示0和1,在信号发送前会传送消息头,待确定消息头正确发送后停止等待,开始发送信号。

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