管道運輸作為一種應用非常廣泛的運輸方式應用于大部分行業,人們最為熟悉的便是應用在供水方面。供水管網以及相關設施的正常運行，保障了廣大用戶的正常權益。要保證供水管網的正常運行，及時地掌握管網的運行數據和運行狀態是非常重要的^[1]。通過實時檢測管網的運行數據，可以判斷管網運行狀態的正常與否，而且通過對數據的分析研究，還可為管道泄漏檢測提供依據。

    本文在介紹管道運行狀態數據監測系統的基礎上，重點闡述了一種應用于該系統的多路巡檢儀，主要包括控制核心STC89C52單片機、多路模擬選擇開關CD4051、電流/電壓轉換芯片RVC420、A/D芯片MAX1241以及串口通信、無線通信、按鍵及顯示等部分組成。

1 系統總體方案

    對供水管網進行實時監測，數據采集是整個系統的重要環節，是測控系統中不可或缺的部分。本系統的數據采集、顯示及傳輸由所設計的智能巡檢儀實現，它是一種功能齊全的智能二次儀表，不僅能夠對流量、壓力、溫度等信號進行采集，還能夠進行顯示及必要的人機對話。通過巡檢儀可以對輸入的多路信號進行巡回檢測，同時將信息通過無線網絡傳輸到上位機。

    通過功能分析可知，完整的管道運行監測系統包含三部分，即數據采集部分、數據傳輸部分和上位機監控部分。系統的整體設計方案如圖1所示。

    在數據采集部分，設計了多路巡檢儀。針對管網現場測量采集物理量的不同，分別選用不同類型的傳感器。多路巡檢儀通過選擇通道采集不同的傳感器的信號，并進行循環采樣，然后對采集到的信號進行處理，使這些信號統一成能被單片機處理的標準信號。

    多路巡檢儀不僅可以對信號進行處理、顯示，還可以通過無線網絡將采集到的信號發送到監控系統，以方便進行實時監測^[2]。當需要對儀表進行數據存儲的讀取和程序更改時，采用串口通信的方式對巡檢儀程序進行更改或者數據的讀取。

2 多路巡檢儀的設計

    多路巡檢儀的控制核心采用STC公司的高性能低功耗微控制器STC89C52單片機。現場的信號由一次儀表(如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等)采集，得到的信號為4~20 mA電流信號，因為單片機不能直接處理測量到的電流信號，所以要對采集到的信號進行預處理，將電流信號轉化成為可以被單片機識別處理的電壓信號。巡檢儀的總的系統結構框圖如圖2所示。

    電流/電壓轉換采用美國RURR－BROWN公司生產的精密電流環接收器芯片RVC420，將4~20 mA輸入信號轉換成為0~5 V輸出信號^[3]。該芯片中集成了一個高級運算放大器、一個片內精密電阻網絡和一個精密10 V電壓基準。它的總轉換精度為0.1％，共模抑制比CMR達86 dB，共模輸入范圍達±40 V^[4]。同時，RVC420的接口電路比較簡單，不需要其他的外圍器件輔助，就能實現諸多功能。增益、偏置和CMR無需調節，較之由分立器件設計的印制板電路，RCV420具有更低的開發成本、制造成本和現場維護費用，具有很高的性能價格比。電流/電壓轉換電路如圖3所示。

    為了實現多路巡檢儀不同路信號之間的選擇切換，選用CD4051芯片。它是一款單8 通道數字控制的模擬開關，芯片有A、B、C  3個二進制控制輸入端。EN端為使能端，當EN端為高電平時所有通道截止；只有使能端為低電平時，芯片才工作，才能夠從8 個通道選擇其中一個通道，將該輸入端連接至輸出。芯片的A、B、C這3端口分別接在單片機的P1.0、P1.1、P1.2端，通過程序的選擇實現對X0~X7八路信號的選擇切換。多路信號選擇電路如圖4所示。

    通過模擬開關選擇輸入的信號，經過A/D轉換電路的處理后發送給單片機進行后續的運算處理等操作。在選擇A/D轉換芯片時，為了降低數據的轉換誤差并確保采集數據的準確性，選用MAX1241芯片，它是一款低功耗、低電壓的12位串行ADC。A/D轉換電路如圖5所示。

     芯片的1口為電源輸入端， 它的工作電壓為+2.7 V~+5.2 V之間；2口為信號輸入端，輸入的模擬電壓為經過I/V轉換的0~5 V的電壓信號；3口為節電方式控制端，讓其節電起作用時此端口置以高電平或者懸空；4口作為參考電壓的輸入端，置電源電壓；5口為模擬、數字地，將其接地處理；6端口為經過處理后的串行數據輸出，將處理后的數據發送給單片機的P1.5口；7口作為芯片的選通接口，接單片機的P1.4口；8口為芯片的串行輸出驅動時鐘輸入，接單片機的P1.3口，通過此口產生驅動脈沖SCLK。

3 數據傳輸設計

    儀表的通信分為串口通信和無線通信兩種方式，當對儀表進行測量設定和存儲數據讀取時，采用串口通信方式；當儀表進行實時數據傳輸時采用無線通信方式。

    串口通信程序編寫簡單，硬件接口簡單，而且用電腦顯示相關的調試信息，不需要借助其他外部硬件，可以很方便地進行程序調試。當系統程序需要升級更新時，可以通過串口進行更改。

    儀表采用通用型的無線數據傳輸模塊，將處理后的現場信號發送到上位機監控系統，無線通信電路如圖6所示。儀表通過TTL電平的UART接口與無線模塊連接^[5]。同時通過單片機的P1.6和P1.7端口控制模塊的休眠與工作狀態。

    單片機控制系統包括顯示部分、按鍵控制等部分，通過單片機的P0口與P2口實現。

    本文從供水管網運行數據實時監測的要求出發,設計出一種基于無線通信的低功耗、高精度的智能巡檢儀。該巡檢儀可以采集管道運行過程中的壓力、溫度、流量等基本參量。多路巡檢儀未用到的幾路可以進行擴展，進行其他參量信號的采集。通過串口可以很好地對系統程序加以更新改進，無線通信方式的使用提高了數據采集的靈活性。同時對該系統進行適當的改進還可以應用在其他方向。

參考文獻

[1] 李忠虎,郭卓芳.供水管道泄漏檢測與定位技術應用研究[J].化工自動化及儀表，2011,38(4):388-391.

[2] 候毅,柴艷麗,葉威.基于無線通訊的低功耗溫度巡檢儀設計[J].計測技術，2010,30(2):19-22.

[3] 鐘佳迅,庹先國，王洪輝,等.高精度地下水位監測儀[J].儀表技術與傳感器,2012(9):15-17.

[4] 陳榮, 王玉彬.一種新穎的I/U 精密變換電路[J].儀表技術，2003(5):44-47.

[5] 付華科,任子暉,李偉濼.基于單片機的礦井瓦斯濃度及溫度監測系統設計[J].儀表技術與傳感器, 2010(7):87-91.