0 引言

　　現場測量中，常遇到測點呈線狀分布的情形，例如，輸電線路，輸油管道，河流沿線，城市管網等，這類監測數據有如下特點：

　　（1）間隔距離各不相同。例如：石油輸送管道的流量壓力，監測點可1 km 一個;城市路燈損壞監測25 m一個。

　　（2）對傳輸速率要求不高。例如：路燈是否損壞的監測，煤礦坑道傾斜度監測，可以幾分鐘一次，河流沿線水質，溫度信息甚至可以每小時一次。

　　（3）測點物理順序可以作為監測點的邏輯次序，只要順序檢測各點的數據即可，不要求某個編號的數據單獨傳送。

　　（4）測點數量眾多，例如10 km 長的路燈監測點就有400個。

　　對于這些現場常遇到的線狀分布測點，如果采用總線式的組網結構，可以很好的簡化布線形式，所有測點連接到總線上即可。實際上，已經有很多這類總線可供選擇，例如，CAN 總線，485 總線，IEEE1394 總線，Profi-bus總線，HART 總線，甚至有自成總線的器件，如數字溫度傳感器DS18B20.但是這些方案都不是針對上述數據特點量身定做的，有的追求高可靠性，有的追求網絡速度，還存在成本高、協議復雜、需要逐個測點編址等問題［3］。所以，本文提出了一種基于單片機構成的針對線狀測點的三線制組網方案，它具有自帶電源、協議簡單、靈活多變等特點，可以極大簡化電路設計和系統設計。

　　1 系統構成及原理

　　1.1 硬件構成

　　1.1.1 系統總體構成

　　三線制測量系統的構成圖如圖1所示，由一個主機和若干單元構成，三線分別定義為電源、信號、地線。主機能控制單元的供電，由開關J1 完成，它可以是繼電器的硬觸點，也可以是VDMOS管軟觸點。當主機需要采集數據時，首先閉合J1，使所有單元上電，然后通過信號線R/T來控制各個單元依次上傳數據。其中1，2，…，N代表N 個測量單元。

　　如果需要傳送模擬信號，則要另外增加模擬信號總線，單元結構如圖2所示。

　　1.1.2 單元結構

　　單元的內部組成，根據測量參數不同各有所異，這里給出一個傾角測量的例子，使用傾角傳感器，原理圖如圖2所示。上電測量是自動進行的，完成后等待輸入端R接受啟動脈沖，然后進入本單元數據發送，這期間本單元與主機是直通的，當本單元數據傳送完成后，則等待輸入端的結束脈沖，然后本單元向下單元發送啟動脈沖，隨后本單元進入透傳（或稱傳話筒）模式，相當于直通，主機可以跟下個單元進行通信，依次類推。

　　在單元示結構意圖中，還增加了2 條模擬信號線，因為傾角傳感器既有數字量輸出（通過SPI接口）也有模擬量輸出（通過Vf端）。如果想直接采集到單元的模擬量，則增加模擬開關和模擬信號總線，當單元處于工作狀態時，閉合模擬開關，把模擬量送到總線上。

　　1.2 工作原理

　　主機啟動一次數據采集時，首先閉合開關J1，總線VCC 得電，所有單元同時上電，單元內的單片機開始工作。單元的工作分為待機、工作、透傳3種模式。上電后，所有單元進入待機模式，主機先向距離最近的1#單元發出啟動脈沖，1#單元由“待機”轉為“工作”模式，它會啟動傳感器，點亮指示燈L1，表示本單元是活動的，這時，主機可以與1#單元進行直接的通信，命令1#單元的進行測量并讀取數據，完畢后，主機發送結束脈沖，命令1#單元結束活動態。1#單元在向2#單元發送啟動脈沖后進入透傳模式。于是，收到1#發出的啟動脈沖，2#單元成為活動單元，點亮指示燈L1，進入工作模式。由于1#單元的透傳作用，主機可以直接跟2#單元通信，直到2#單元收到結束指令后，它啟動下個單元，然后自己變成透傳，這樣依次類推，各個單元逐個變成活動單元，主機總是透過已經變成透傳模式的單元，直接與活動單元進行通信，獲取數據，直到全部單元都完成數據采集。

　　因此，在整個三線制網絡中，只有一個是活動單元，活動單元前面，是完成了數據采集變成透傳模式的單元;在活動單元后面，是等待啟動的待機單元。主機能夠直接與活動單元聯系，使用靈活約定的協議和速率，是本文提出三線制線狀組網的一大優勢。

　　主機與活動單元通信時，可以直接使用單片機的串口通信模式，在數據量小的時候，約定使用較低的波特率可以獲得較遠的傳送距離。用來啟動和停止單元工作的脈沖命令，可以有2種形式：

　　（1）直接使用串行通信來改變單元的工作模式，只要約定主機下發給單元的串行數據命令字即可，例如約定0X55為啟動命令，0XAA為停止命令;（2）使用脈沖寬度控制，只要命令脈沖與通信波特率通信脈沖有明顯區別不產生混淆就可以，例如波特率使用1 200，啟動和停止脈沖使用寬度為30 ms的低電平。

　　1.3 特點分析

　　總結上述闡述，本文提出的三線制線狀組網具有如下特點：

　　（1）自帶電源：三線中有一根電源線，所有單元可以直接授電;（2）功耗低：工作過程中，只有一個單元是活動的，處于待機和透傳模式的單元，可以關閉所轄傳感器的供電，只讓單片機帶電，如果使用MSP433 超低功耗單片機，100個單元的功耗也不會超過1 mA.

　　（3）協議靈活：主機是通過透傳單元直接與活動單元通信，允許系統搭建者使用自己約定的通信協議;（4）傳送距離遠：主機是通過接力與每個單元通信的，只要每個單元之間能有效傳送，多個單元構成的整個系統就能正常工作。

　　（5）擴展方便：當需要模式量傳送時，只要再增加一條總線，每個單元增加模擬開關，活動單元把模擬開關閉合，該單元的模擬量就可以上傳到總線上，送給主機。

　　（6）無需單元編號：主機是順序與各個單元建立聯系的，所有單元完全一樣，沒有地址編號環節，適合批量生產制作。