基于MT8880的水庫水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本文介紹了一種地下水位實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要包括信號采集、無線模塊、數(shù)據(jù)處理及存儲三部分。該方案對提高監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性，降低成本和能耗，有一定的參考價值。

　　對上游水庫水情的可靠準(zhǔn)確掌握是實現(xiàn)灌區(qū)配水調(diào)度、科學(xué)管理的先決條件，水情信息主要是靠人工完成，人為因素影響較大，做不到準(zhǔn)確及時的掌握。因此，某灌區(qū)管理局?jǐn)M對其上游三座水庫進(jìn)行水庫水位的遠(yuǎn)程遙測，鑒于水庫均處于山區(qū)，用無線傳輸?shù)姆绞绞褂梅奖?，但信號?qiáng)度可能不穩(wěn)定，因而采用有線方式。有線方式種類較多，主要有雙絞線（如網(wǎng)線、電話線）、同軸電纜和光纖等，專用電纜的鋪設(shè)一次性投資較高，運(yùn)行期間需專業(yè)人員維護(hù)。本方案在通信方式上采用租用電話線，即PSTN方式。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本遙測系統(tǒng)由超聲波水位傳感器、采集前端機(jī)、電信交換機(jī)和調(diào)度站遙測終端組成，如圖1所示。超聲波傳感器采集水位信息，采集前端機(jī)對超聲波傳感器測到的水位信號進(jìn)行編碼，并通過電話線傳送到調(diào)度中心，前端機(jī)工作模式為被動式，即不進(jìn)行自動上報水位，等待調(diào)度站的遙測指令；調(diào)度站遙測終端由人工操作，只要按下招測鍵即可在液晶顯示器上顯示水庫水位。本文研究遙測終端的通訊部分，采集終端和遙測終端的電路類似。

　　2 單元電路

　　2.1 硬件系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)主要分2部分，即遙測終端和采集前端機(jī)，兩者之間雙工通訊，其通訊電路基本相同，本文主要對其通信電路進(jìn)行詳細(xì)的論述。每個單元電路框圖如圖2所示，主要包括CPU、電話來電振鈴檢測、模擬摘機(jī)、編碼和解碼、語音提示電路以及其他電路。其他電路包括液晶顯示驅(qū)動電路、鍵盤掃描電路和數(shù)據(jù)采集電路。下面對幾個主要模塊電路詳細(xì)地進(jìn)行論述。

　　2.2 振鈴檢測電路

　　公用電話網(wǎng)的傳輸線路為二線模擬線路，采用直流環(huán)路信號方式，能向模擬話機(jī)提供直流饋電、振鈴信號、話音數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、雙音頻數(shù)據(jù)等。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為，話機(jī)在不通話時，電話線中的直流電壓是48 V.當(dāng)有電話呼入時，同時還有（25±15）V、25 Hz的正弦信號加在電話線上，所以向用戶振鈴的鈴流電壓為（75±15）V、25 Hz的交流電壓。光電耦合器輸出的信號可以直接被CPU檢測。

　　2.3 模擬摘機(jī)電路

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測到有振鈴，且振鈴次數(shù)為3次，就"接通"電話，這里采用模擬摘機(jī)電路，如圖4所示。用戶話機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)，是通過對直流環(huán)路上電流的通斷來實現(xiàn)的。圖4中，NPN三極管VQ202接收到CPU控制端發(fā)出的高電平就開通，然后將PNP三極管VQ201的基極電位拉低，VQ201開通，即直流環(huán)路接通，R203（300 Ω）是限流電阻，B201是整流橋，保證VQ201一直開通。

2.4 編碼譯碼電路

　　在計算機(jī)硬件中，編碼（coding）是在一個主題或單元上為數(shù)據(jù)存儲，管理和分析的目的而轉(zhuǎn)換信息為編碼值（典型地如數(shù)字）的過程。在軟件中，編碼意味著邏輯地使用一個特定的語言如C或C++來執(zhí)行一個程序。在密碼學(xué)中，編碼是指在編碼或密碼中寫的行為。用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其他對象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔ⅰ?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號。編碼在電子計算機(jī)、電視、遙控和通訊等方面廣泛使用。 編碼是根據(jù)一定的協(xié)議或格式把模擬信息轉(zhuǎn)換成比特流的過程。

　　編碼譯碼電路采用MITEL公司的低功耗、高穩(wěn)定性芯片MT8880,這是一個帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號收發(fā)器。DTMF信號的接收部分采用DTMF信號接收單片機(jī)MT8870的工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)送部分采用開關(guān)電容進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送高精度、低畸變的DTMF信號。IN+、IN-分別為內(nèi)部放大器的同相輸入端和反相輸入端，即接收DTMF信號的輸入端，本設(shè)計采用單端輸入；信號的耦合方式上采用阻容隔離，由C10來實現(xiàn)；OSC1和OSC2是TDMF時鐘輸入端，Y1是石英晶體時鐘，頻率為3.579 545 MHz;TONE是雙音頻信號輸出端；R/W是讀寫控制端，RS0是內(nèi)部寄存器控制端，用于操作內(nèi)部寄存器；在呼叫處理模式（CP）且檢測到有效信號音時，該端輸出方波；D0-3是寫入命令或讀出狀態(tài)的數(shù)據(jù)線。

　　2.5 CPU及其最小系統(tǒng)

　　CPU采用silicom公司的單片機(jī)C8051F021,這是一款混合信號ISP FLASH、高速8051內(nèi)核的微控制器。片內(nèi)集成多路12位和8位ADC,為數(shù)據(jù)采集提供方便；4個8位雙向IO口可直接控制鍵盤輸入、液晶輸出、聲音播放、模擬摘機(jī)、振鈴檢測、譯碼和解碼芯片而無需外擴(kuò)IO口；片內(nèi)JTAG調(diào)試電路可進(jìn)行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。圖6是單片機(jī)的最小系統(tǒng)。U1是單片機(jī)；P1口主要完成和MC8880的通訊；P2口和部分P3和ISD1420相連；AD口可連接傳感器；另外，還有復(fù)位電路，J1接口是JTAG接口用于調(diào)試和下載程序，振蕩電路。

　　2.6 其他電路

　　除了上述的CPU和PSTN通訊部分電路外，本系統(tǒng)還有電源電路、信號調(diào)理部分、存儲電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路，由于篇幅有限不在這里論述。

　　3 結(jié)論

　　本文提出的方案和具體電路在陜西某灌區(qū)進(jìn)行了試驗，經(jīng)過30天的不間斷工作，結(jié)果表明，該方案是可行的也是可靠的，硬件電路是正確的，可達(dá)到無人值守或少人值守的要求，為后續(xù)進(jìn)一步生產(chǎn)推廣提供技術(shù)保障。