金屬發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象隨處可見。腐蝕給金屬材料造成的直接和間接損失是巨大的，以至造成災(zāi)難性的破壞事故，引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究表明，因腐蝕造成的損失一般占國民生產(chǎn)總值的3％～4％，其中約有15%是可以通過現(xiàn)有的防腐技術(shù)避免的，而陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展又是與防腐技術(shù)的進(jìn)步分不開的。

防腐電源是陰極保護(hù)技術(shù)中最為關(guān)鍵的設(shè)備。由于易腐蝕的金屬構(gòu)件大部分分布在野外或者地下，并且分布范圍廣，如石油管道、輸電線路、海上平臺等，所以必然要求發(fā)展可靠性高、智能化的新型防腐電源，并且要求通過工業(yè)網(wǎng)遠(yuǎn)程采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算分析，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性，實現(xiàn)無人管理。

1、防腐電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

陰極保護(hù)技術(shù)簡單地說就是測量被保護(hù)金屬構(gòu)件的電位（即管地電位），并根據(jù)其大小變化，調(diào)節(jié)補(bǔ)償保護(hù)電流大小，起到對金屬構(gòu)件的保護(hù)作用。圖1是遠(yuǎn)程監(jiān)控防腐電源系統(tǒng)示意圖。

很顯然，防腐電源是陰極保護(hù)系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，其監(jiān)控系統(tǒng)要能對其電位、電流、電壓等運行參數(shù)進(jìn)行檢測與控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，滿足實時、快速響應(yīng)的要求。

2、監(jiān)控節(jié)點的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板，主要對來自防腐電源的測量信號進(jìn)行濾波、放大、采樣保持，以及自動選擇放大倍數(shù)等;一塊為數(shù)字板，主要完成采樣信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計算（消除噪聲并還原信號）、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)直接測量的是防腐電源現(xiàn)場的電信號，包括電壓信號和電流信號。防腐電源的現(xiàn)場環(huán)境惡劣，待測信號中夾雜著諸多干擾信號。前置調(diào)理電路包括差模放大電路和有源濾波電路，用來抑制現(xiàn)場信號中的共模干擾信號和高頻干擾信號。系統(tǒng)通過485總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，使用約定的協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

2.1 模擬電路設(shè)計

模擬電路框圖如圖3所示，其中Vin1、Vin2、Iin1、Iin2為從防腐電源現(xiàn)場采集的信號。由于待測信號比較微弱，現(xiàn)場環(huán)境又比較惡劣，待測信號中疊加了很多干擾信號，為了從噪聲中提取出有用的信號，采用差模調(diào)理電路和有源濾波電路相結(jié)合的調(diào)理電路對輸入信號去干擾，然后通過電壓分檔電路估算信號的范圍，提供給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)給定的信號計算出合適的放大倍數(shù)，進(jìn)而控制可編程放大器AD526的放大倍數(shù)，將已調(diào)理的信號放大到有效范圍，輸入到數(shù)字板上的AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換［2］。

2.1.1 信號調(diào)理設(shè)計

通過試驗對現(xiàn)場信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)干擾信號主要來自電源線的耦合干擾、電源的瞬態(tài)電壓干擾和外部電磁輻射干擾。因此，這部分電路的作用有兩個：一是根據(jù)干擾信號的頻率特點設(shè)計濾波電路，有效地濾除干擾信號;二是對輸入信號適當(dāng)放大，完成阻抗轉(zhuǎn)換。

2.1.2 自動增益調(diào)節(jié)電路的設(shè)計

調(diào)理好的信號通過多路模擬開關(guān)進(jìn)行逐一選定和處理。信號通過模擬開關(guān)后，一路進(jìn)入分檔電路測定范圍，另一路進(jìn)入放大單元放大到合適的工作范圍。

AD526是專用五級變增益運放，增益級數(shù)為G＝1、2、4、8、16，增益控制輸入腳有三個。設(shè)計中將兩個AD526串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了1～256增益的放大單元，變增益放大電路如圖4所示。

該電路由8個電壓比較器構(gòu)成分檔電路，單片機(jī)讀取其輸出信號，根據(jù)得到的分檔信號設(shè)定合適的放大倍數(shù)，控制放大單元的工作，實現(xiàn)自動調(diào)整增益，保證每路信號都能放大到A/D的最佳工作范圍，滿足高精度、寬范圍的設(shè)計要求。

2.2 數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字電路框圖如圖5所示。單片機(jī)80C51是本系統(tǒng)的核心，通過擴(kuò)展ROM增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量。A/D為數(shù)據(jù)采集模塊，D/A為標(biāo)準(zhǔn)電流控制信號輸出模塊，MAX485是與上位機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，Vin為模擬部分的輸出信號［3］。

2.2.1 通訊接口設(shè)計

系統(tǒng)通過485通訊接口與上位機(jī)通訊，交換數(shù)據(jù)。RS-485采用的是一對平衡差分信號線，為半雙工通訊方式。RS-485對于多站連接是十分方便的，其標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器，這足以滿足一個中型構(gòu)件的多點防腐系統(tǒng)的要求。總線兩端接匹配電阻，提高了抗干擾能力。RS-485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200m。考慮到現(xiàn)場工作環(huán)境的惡劣性，使用TVS管實現(xiàn)了防雷功能，保護(hù)系統(tǒng)不受瞬間高壓破壞，提高了運行的可靠性。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)控制電流輸出設(shè)計

上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運用一定的控制算法得出所需要的反饋控制信號。由于防腐電源為模擬器件電路，無法直接接收數(shù)字控制信號，因此必須通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成模擬信號，才能控制電源工作。

系統(tǒng)中采用的AD421是一種單片高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，5～20mA電流輸出，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。其數(shù)字輸入信號通過光電隔離保證信號的準(zhǔn)確有效，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接驅(qū)動相關(guān)的模擬器件。

3、 監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計

為了提高程序編寫效率，采用了目前廣泛使用的MCS-51單片機(jī)高級語言C51作為軟件開發(fā)工具。

監(jiān)控系統(tǒng)的整個程序主要由主程序、三個中斷處理程序、兩個計算程序組成。完成的主要功能是：系統(tǒng)復(fù)位后的初始化、控制采樣、進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、根據(jù)采樣值進(jìn)行信號處理、選擇放大倍數(shù)（量程）、控制通訊接口傳送數(shù)據(jù)等。主程序流程圖如圖6所示。

本設(shè)計采用通用元件、模塊化設(shè)計方法和可變增益電路，在滿足高精度寬量程要求的同時，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，同時節(jié)約了成本。該設(shè)計對于防腐工業(yè)中實現(xiàn)遠(yuǎn)程集約化管理具有現(xiàn)實意義。