・１４・ 《测控技术）２０１３年第３２卷第１期 一种基于ＺｉｇＢｅｅ的无线抄表系统研究与设计 汪银芳，马世伟 （上海大学机电工程与自动化学院上海市电站自动化技术重点实验室，上海２０００７２） 摘要：提出了一种基于短距离无线通信技术ＺｉｇＢｅｅ的三层分布式无线抄表系统，系统由低功耗片上系 统ＣＣ２５３０构成采集器、路由器、集中器，采用ＺｉｇＢｅｅ传感器网络进行数据通信，与远距离无线网络 ＧＰＲＳ相结合，系统兼具分布式与集中式的特征，可实现在主动抄表方式下各数据采集单元的定时采 集，以及被动抄表方式下单播、组播和广播等多种集抄方式，且具有低功耗、低成本、高可靠性数据传输 的特点。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ协议；无线抄表系统；ＣＣ２５３０；智能电表 中图分类号：ＴＮ９２５ ．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１３）Ｏ１—００１４—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｔｅｒ Ｒｅａｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ＷＡＮＧ Ｙｉｎ—ｆａｎｇ，ＭＡ Ｓｈｉ－ｗｅｉ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｈｒｅｅ．．１ａｙｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｔｅｒ ．ｒｅａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔ．．ｒａｎｇｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｅｃｈ．． ｎｏｌｏｇｙ ＺｉｇＢｅｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｒｏｕｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ—ｏｎ—ｃｈｉｐ ＣＣ２５３０，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ—ｒａｎｇｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ＧＰＲＳ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈａｔ ｅａｃｈ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｅｌｅｃｔｉｃｉｔｙ ｍｅｔｅｒ ｉｎ ａｃｔｉｒｖｅ ｍｏｄｅ，ｅｖｅｎ ｔｈａｔ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｍｅｔｅｒ－ｒｅａｄｉｎｇ ｗａｙｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｎｉｃａｓｔ，ｍｕｈｉｃａｓｔ ａｎｄ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｉｎ ｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔ ｈａｓ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｔｅｒ—ｒｅａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ＣＣ２５３０；ｓｍａｒｔ ｍｅｔｅｒ 智能电网建设迫切需要高效灵活的智能电表及基 于多种有线／无线通信技术的自动抄表技术的支撑。 我国家用电表经历了从感应式电能表、脉冲式电能表 向电子式电能表转换的３个阶段，抄表方式也从最初 单纯的人工抄表转向智能ＩＣ卡抄表、集中抄表等易于 监管部门管理与调度的方式 ｊ。低压电力线载波抄 表方式是我国应用最为广泛的有线集中抄表方式，而 早期的无线集中抄表多采用红外抄表方式 Ｊ。 按流量收费，且工作频段拥挤、实时性较差。随着芯片 厂商如ＡＤＩ、ＴＩ等公司推出一系列针对高低端用户解 决方案的无线通信芯片，使得后一种方式因其低功耗、 低成本等优势，而得到了广泛关注。文献［７］提出了 将４３３Ｍ无线数传网络与ＧＰＲＳ网络相结合的小区抄 表方案，该方案需要对电表进行改造，在每个电表中引 进４３３Ｍ无线数传模块，成本较高，且由于４３３Ｍ本身 抗干扰差、存在频间与频内干扰等缺点，了其应 用。文献［８］提出了一种将ＺｉｇＢｅｅ技术与ＧＰＲＳ网络 相结合的智能电表抄表方案，但其中的集中器、路由器 与采集器分别采用ＰＩＣ２４ＦＪ６４ＧＡ００２与ＲＣＭ６７００为 ＣＰＵ，再通过外扩无线通信接口接人相应的无线模块， 造成硬件成本较高，且软件设计周期长。本文提出了 种基于低功耗、低成本的ＺｉｇＢｅｅ芯片ＣＣ２５３０的无 线抄表系统方案，兼具分布式与集中式的特征，可完成 一近年来，随着无线通信技术的发展，抄表行业出现 了以ＧＳＭ、ＧＰＲＳ＿３ 等需频段使用费的无线抄表方式， 以及如红外 Ｊ、蓝牙 Ｊ、ＺｉｇＢｅｅ技术 等免频段使用 费的无线抄表方式。前一种方式稳定性较好，但需要 收稿日期：２０１２—０２—１１ 基金项目：上海市科委资助项目（０９ｄｚ２２０１２００） 作者简介：汪银芳（１９８７一），女，重庆人，硕士研究生，主要研究 方向为测试计量技术；马世伟（１９６５一），男，甘肃嘉峪关人，教 授，博士生导师，主要研究方向为检测技术与信号处理。 主动方式下各数据采集单元的定时采集，以及被动方 式下单播、组播和广播等多种集抄方式，实现抄表系统 ・１６・ 线连接，也可外扩ＲＳ－２３２接口与相应的硬件电路实现 红外采集。集中器采用深圳有方公司的ＧＰＲＳ模块 Ｍ５９０与公网进行通信，实现网关转换功能。 ２．２采集器与路由器设计 由于国家电网对各地区的居民用电进行了改造， 将原有的机械表更换为电子式电表，而该类电表带有 ＲＳ－４８５接口与红外通信接口。且居民居住相对集中， 电表常常集中安装在一个表计箱中。本设计中采集器 与路由器充分利用此特点，其硬件结构如图２所示。 路由器的主要功能有：扩展无线传感器网络的传输范 围；转发集中器与采集器问的通信命令与数据信息。 采集器的主要功能有：实现对智能电表的Ｅｔ冻结、月冻 结和当前正向有功总电能等数据的采集与存储；响应 集中器的参数设置命令及数据采集；记录与之相连接 的各电表通信状态、各电表的表地址等信息，并上报给 上层网络便于远程控制。 图２采集器与路由器结构不意图 ２．３集中器硬件设计 集中器的硬件结构如图３所示，其主要功能有：负 责启动、配置与协调整个ＺｉｇＢｅｅ网络；下发集抄中心 的命令与数据信息给ＺｉｇＢｅｅ网络中的任一设备；接收 ＺｉｇＢｅｅ网络中任一设备返回的电表数据、电表状态与 网络状态信息，通过ＧＰＲＳ上传到集抄中心。 图３集中器结构示意图 《测控技术）２０１３年第３２卷第１期 ３系统软件设计 ３．１协议栈设计 无线传感器网络采用符合ＺｉｇＢｅｅ２００７规范的ｚ— Ｓｔａｃｋ协议栈。它由操作系统抽象层（ＯＳＡＬ）以及通过 ＯＳＡＬ管理以的任务形式体现ＺｉｇＢｅｅ协议的各层 构成，包括硬件抽象层（ＨＡＬ）、ＭＡＣ层、网络层、ＺＤＯ 层、ＡＦ应用框架层，ＺｉｇＢｅｅ协议与Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈关系 如图４所示。Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈与ＯＳＡＬ是相互的， 但协议栈基于ＯＳＡＬｌ１ｏｌ才能运行。ＯＳＡＬ是一个多任 务非抢占式的、轮询的资源管理机制的操作系统。 ＺｉｇＢｅｅ各层可作为Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈中一个任务运行。 …Ｍｅ…ｔｅｒＡ…ｐｐ…Ｐｒｏｃ…ｅｓｓＥ…ｖｅｎｔｉ …： ＺＤＡｐｐｅｖｅｎｔｌｏｏｐ！； ； ＡＰＳｅｖｅｎｔｌｏｏｐ ；；一 ：：： 蔓 ：： ｍａｃＥｖｅｎｔＬｏｏｐ ； ； Ｈａｌ ＰｒｏｃｅｓｓＥｖｅｎｔ …Ｉ……一ｊ ＺｉｇＢｅｅ协议规范 基于ＯＳＡＬ的Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈各层 图４ ＺｉｇＢｅｅ协议与Ｚ—Ｓｔａｃｋ协议栈结构图 （１）应用层任务事件的设计与实现。 ＯＳＡＬ的引入屏蔽了物理层、ＭＡＣ层和网络层的 通信原语，Ｚ．Ｓｔａｃｋ协议栈的应用开发可简化为基于 ＯＳＡＬ的程序开发。消息的响应和任务的调度均由 ＯＳＡＬ来实现。本研究中在应用层的任务事件处理函 数ＭｅｔｅｒＡｐｐ—ＰｒｏｃｅｓｓＥｖｅｎｔ（）中主要添加３类事件，分 别为属于系统事件的网络状态变化事件与无线数据接 收事件、串口命令事件、用户定义的数据采集事件等。 其中任务事件有两种触发方式，一种是通过调用系统 消息传递机制来触发，一种是通过软定时器ｏｓａｌ—ｓｔａｒｔ— ｔｉｍｅｒＥｘ（）等待溢出来触发。当有事件要处理时，调用 相应的事件处理函数。 （２）串口数据采集与命令的实现。 采集器通过串口２外扩接口与电表进行连接，串 口波特率为２４００ ｂｉｔ／ｓ、无流控、采用ＩＳＲ中断方式，回 调函数为ｒｘｍｅｔｅｒＣＢ（）。ＯＳＡＬ系统每２００ ｍｓ调用 ＨａｌＵＡＲＴＰｏｌｌＩＳＲ（）进行回调函数的调用，并进行串口 数据的处理。通过对采集到的电表值进行校验，若校 验成功则通过ｏｓａｌ—ｓｅｔ—ｅｖｅｎｔ（）向应用层发送电表数 据采集成功事件ＭＥＴＥＲ—ＶＡＬＵＥ—ＳＵＣＣＥＥＤ—ＥＶＴ，对 数据进行相应的处理后，最后将整个数据包通过ＡＦ— ＤａｔａＲｅｑｕｅｓｔ（）以无线的方式发送给集中器。 集中器通过串口１外扩接口与ＧＰＲＳ模块进行连 接，串口波特率为３８４００ ｂｉｔ／ｓ、无流控、采用ＤＭＡ方 一种基于ＺｉｇＢｅｅ的无线抄表系统研究与设计 ・１７・ 式，回调函数ｒｘＣＢ（）。ＯＳＡＬ系统每２００ ｍｓ调用 为防止各小区信号相互干扰，将各个小区分为不 ＨａｌＵＡＲＴＰｏｌｌＤＭＡ（）进行回调函数的调用，并进行串 口数据的处理。当串口接收到的帧满足相应的数据帧 格式时，会通过ｏｓａｌ—ｓｅＩ—ｅｖｅｎｔ（）向应用层发送ＧＰＲＳ 命令事件ＵＡＲＴ—ＲＸ—ＣＭＤ—ＣＢ—ＥＶＴ，通过后续命令的相 应功能码，与网络中的不同节点进行通信与数据交互。 ３．２通信软件 通信软件是基于Ｚ—Ｓｔａｃｋ．ＣＣ２５３０－２．３．０－１．４．０协 同的组，采用图５（ｂ）的命令帧实现对一片小区的数据 进行采集，各个小区用不同的组号加以区别，并且通过 该设计，可远程分辨是哪个小区产生故障，便于维护。 图５（Ｃ）的命令帧可对整个无线传感器网络中的电表 进行数据采集。在采用组播与广播进行抄表时，为减 少数据传输过程中的碰撞而引起的重传操作，本设计 中采用了随机延时的方法进行数据的上传。本设计中 议栈运行的，其开发环境为ＩＡＲ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ Ｆｏｒ ＭＣＳ－５１ ７．５１Ａ。它主要对采集器、路由器、集中器 进行管理，分３个阶段：初始化网络阶段、抄表阶段和 无线抄表通信阶段。 初始化网络阶段，首先，集中器进行硬件与网络初 始化，组织以自己为协调器的网络，并初始化网络的深 度、网络拓扑结构、ＰＡＮＩＤ、网络地址分配方式、网络路 由方式等网络相关的配置，随后定时发送信标帧。然 后，采集器与路由器加入已建立的网络，并由集中器给 加入的采集器与路由器分配１６位的网络地址以进行 网内通信。 在抄表阶段，通过采集器或路由器定时下发满足 多功能电表通信协议ＤＬ／Ｔ６４５—１９９７＿ｌ 的数据帧格 式，等待一段响应时间后，将数据存储并更新在采集器 的存储器并上传。 无线抄表通信阶段分为主动与被动抄表，在被动 抄表方式下，可实现单播、组播、广播等通信方式，其数 据帧格式如图５所示。在数据返回方式中，ｕ表示单 次返回表的数据，Ｐ表示周期性返回表的数据，ｓ表示 停止返回表的数据。图５（ａ）为单播抄表命令帧实现 对采集器下单块电表的远程抄表，其中采集器的网络 地址可由网络初始化阶段得到：采集器入网成功后会 立即下发包含ＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＡＨ的广播表地址抄表 命令，通过返回的信息可得到实际的表地址并上报给 集中器，从而建立数据采集单元与智能电表一对多的 映射关系，以实现采集模块上电就能采集电表数据，方 便网络的远程管理。 起始 Ｉ数据返回Ｉ数据采集 抄表命令 字符 播Ｕｌ方式Ｉ单元网络 ｌ Ｕ／Ｐ／Ｓ Ｊ地址 ＦＥ ＦＥ ＦＥ ＦＥ ｌ６…‘８Ｈ Ｉ Ａ０～Ａ５ （ａ）单播抄表命令 起始 数据返回ｌ ｌ 抄表命令 字符 方式Ｕ／Ｐ／Ｓ ｌ 组号Ｉｌ ＦＥ唤Ｆ醒ＥＦ字Ｅ符ＦＥ Ｉ１ ｓＨ［Ａ ＡＡＡＡＡＡ （ｂ）组播抄表命令 起始 数据返回 抄表命令 字符 广播Ｂ 方式 Ｕ／Ｐ／Ｓ ＦＥ唤醒字符 ＦＥＦＥＦＥ ｓＨ ＡＡＡ ： ＡＡＡＡ （ｃ）广播抄表命令 图５多种通信命令帧 还可通过只发送如图５所示的不带抄表命令的数据帧 格式，查看采集单元的电池容量、ＬＱＩ、网络地址、组号 等状态信息，便于远程区分是采集单元故障还是电表 故障，且便于远程管理。 （１）数据采集单元软件设计。 数据采集单元包括采集器与路由器，既要完成读 写电表的数据，也需接收ＺｉｇＢｅｅ网络传送的数据与命 令，若为路由节点还需转发路由信息。虽然数据采集 单元采用ＲＳ－４８５总线接口与电表进行通信，会增加其 硬件功率消耗，但可以从软件上进行低功耗设计。由 于数据采集单元的通信时间与休眠时间的占空比决定 其能量消耗水平，当其占空比为０．０５％～０．５％时，可 满足抄表行业的要求。因此，本设计中数据采集单元 采用睡眠一唤醒一正常工作的循环工作模式，其软件 工作流程如图６所示。 数据采集单元初始化 发现网络操作 发送广播电表地址读电表命令 、 网络中数据信息 ＼盅表？／ Ｉｌ 该信思 ’一 主］ Ｉ ／ ｒ—ｘ 网络中管理信息 ＼ ／ Ｌ＿— —＿Ｊ Ｉ重新发送 百＼ 产生应答 底层的硬件 ；息给网络 ＼中断？／ 中节点 处理硬件中断 （如串口中断、 按键中断） 应答信息完成Ｉｌ丢弃 图６数据采集单元工作流程图 ・１８・ （２）集中器软件设计。 集中器具有网关的功能，既需担任起ＺｉｇＢｅｅ网络 协调器的角色，也需与ＧＰＲＳ公网进行通信。由于集 中器常采用直流电源供电，可一直处于工作模式，其软 件工作流程如图７所示。 集中器初始化作为协调器节点 建立并初始化网络 （深度、ＰＡＮＩＤ、地址分配、路由方式） 定时发送信标帧 是一－ 等待中断信息 在其Ⅳ网 本来 络进 地源 地行 存信舶址信 ／是来 ＼ 储息 信息 网络中的数据信 数 息整 ＼中断 据 和位立 等理 能 譬 把数据发送给 本网络） ｌ、 静 ＧＰＲＳ模块或ＰＣ 进行显示 产生应答信息给 网络中的节点 Ｉ是 ｌ 藤 Ｉ中的节点 处理底层硬件中断 ｌ Ｉ 自来 模自Ｐｃ串信块ＣＩＧＰＲＳ控制息信、 息息 ）ｌＩ ｒＬ； 应答信息完成 图７集中器工作流程图 ４模拟测试 为了测试抄表节点的实际运行效果，在实验室环 境进行了模拟测试。模拟网络由１个集中器、２个路 由器、１个抄表终端节点、１块ＤＤＳ７３３型单相电子式 电能表组成网状网络，１台Ｐｃ机通过ＲＳ一２３２通信接 口与集中器相连，利用串口调试助手软件接收电表的 数据、具体表地址、对应的采集单元地址等信息，从而 得到采集单元与电表的映射关系。 通过串口调试助手分别下发如图５所示的单播单 次返回数据的抄表命令、单播周期返回数据的抄表命 令、单播停止周期性返回数据的抄表命令、广播单次返 回抄表命令与组播单次抄表命令等。其中，单播单次 抄表命令格式为：／Ｃ／ＵＵ＋路由器短地址＋唤醒字符 （４ Ｂ）＋６８Ｈ＋具体电表地址（６ Ｂ）＋帧起始字符 （６８Ｈ）＋功能码（ＦＵＮ）＋数据域长度（Ｌ）＋数据域 《测控技术｝２ｏ￣３年第３２卷第１期 （ＤＡＴＡ）＋校验和＋结束符（１６Ｈ）。广播单次抄表命 令格式为：／Ｃ／ＢＵ＋唤醒字符（４ Ｂ）＋６８Ｈ＋广播电表 地址（６ Ｂ）＋帧起始字符（６８Ｈ）＋功能码（ＦＵＮ）＋数 据域长度（Ｌ）＋数据域（ＤＡＴＡ）＋校验和＋结束符 （１６Ｈ）。组播单次抄表命令格式为：／Ｃ／ＧＵ＋组号（２ Ｂ）＋唤醒字符（４ Ｂ）＋６８Ｈ＋广播电表地址（６ Ｂ）＋ 帧起始字符（６８Ｈ）＋功能码（ＦＵＮ）＋数据域长度（Ｌ） ＋数据域（ＤＡＴＡ）＋校验和＋结束符（１６Ｈ）。 图８给出了串口助手下发采集整个网络中所接电 表的组播单次抄表命令、网络状态，以及其中一块电表 的正向有功功率数据。由于本系统中的ＧＰＲＳ模块也 是通过ＲＳ－２３２接口与ＣＣ２５３０进行连接的，所以当集 抄中心的电脑下发满足上述命令帧格式时，也可实现 电表数据的双向通信。 图８模拟网络建立及组播抄表命令测试结果 ５ 结束语 本文给出的由集抄中心、智能电表、无线传感器网 络、公网等构成的三层分布式无线抄表系统，将低成本 短距离无线通信ＺｉｇＢｅｅ技术与远距离无线网络ＧＰＲＳ 相结合实现数据双向传输，可分别实现在主动抄表方 式下各数据采集单元的定时采集，以及被动抄表方式 下单播、组播和广播等多种集抄方式，为无线抄电表提 供了一种新的解决方案。 由于该系统全部采用无线进行传输，布网简单易 行。数据采集单元采用了睡眠一唤醒一正常工作的循 环工作模式，可实现低功耗应用。对抄表区域的各个 小区采用组播设计以及采用组播与广播抄表后的随机 延时进行数据上传的设计，可提高数据传输可靠性。 采用不带抄表数据帧的控制命令与抄表命令的结合设 计，便于远程维护。在进一步全面的性能测试与完善 后，该系统不仅可用于小区抄表，还可用于配变低压侧 抄表等，抄读的数据可包括电网状态、异常事件、偷电 漏电等内容。 （下转第２２页） ・２２・ 阻值与闭环电压值存在一种线性关系：Ｒ ＝（Ｉ，ＬｏｏＰ 一１２ Ｖ）／２０ ｍＡ。本文中所用的闭环电压 ｏ０ ＝２４ Ｖ，代入算式中得Ｒ ＝６ＯＯ Ｑ，笔者选用的Ｒ 阻值为 ２５０ Ｑ，这样当输出４～２０ ｍＡ或（１２±８）ｍＡ的电流 时，利用电阻就可以得到１～５ Ｖ的电压输出。 ３ 实验分析 按照原理图焊接电路，结合以ＣＯＮＴＥＣ板卡为基 础的下位机，利用Ｍａｔｌａｂ的数据采集工具箱结合针对 ＣＯＮＴＥＣ板卡的ＭＬ—ＤＡＱ库文件 Ｊ，实现对直流电 桥模拟输入量的数据采集实验。 具体方法与实验条件：应变片电桥之间的距离为 ２２０ ｍｍ，设置板卡的采样频率为３００００ Ｈｚ，ＡＤ６９３输 出范围为（１２±８）ｍＡ，电路调零、调满后通过弹射轨 道上的小车，使其以一定速度经过检测区，从而让应变 片受力发生电阻变化，继而使电桥产生电压输出。图 ５为速度为２９．９７ ｋｍ／ｈ截取的小车轮子经过一跨时 的敏感区间信号曲线。 图５ ２９．９７ ｋｍ／ｈ信号敏感区间采样曲线 图６显示了模拟轨道单跨内弹性体的分布位置， 应变片则粘贴在弹性体的上下两个表面，构成惠斯登 全桥。小车通过弹性体上方时应变片变形最大，因此 在两个弹性体位置出现了两个波峰，而小车驶离弹性 体时应变片应变又开始逐渐减小，因此在两个弹性体 中间会产生一个幅值下降的波谷，两处弹性体的应变 叠加就产生了图５所示的波形。 图６弹性体单跨分布示意图 ４ 结束语 本文根据扫掠力信号的特点，介绍了扫掠力信号 《测控技术）２０１３年第３２卷第１期 调理芯片选择和以ＡＤ６９３芯片为核心的调理电路设 计方法，并进行了电路数据采集的测试，实验结果表 明，该电路具有输入范围可调、调零简单、设计灵活等 特点，能够实现对轮载扫掠力信号的调理功能。但在 实际的铁轨监测中，弹性体的布置需考虑铁轨尺寸及 货运列车车轮直径等因素，因而此时传感器的输人量 程肯定会发生变化继而影响到调零调满参数的改变； 此外，由于现场的环境复杂，还须为调理电路增加保护 措施（如电路的屏蔽、防潮等），以保证其正常工作。 参考文献： ［１］ 杨海军．列车车轮扫掠力检测实验台的设计与研究［Ｄ］． 长沙：中南大学，２００８． ［２］ 黄志辉，李巍，柏友运，等．基于ＤＳＰ与ＭＡＴＬＡＢ的超偏 载检测系统研究［Ｊ］．测控技术，２０１１，３０（１２）：２９—３１． ［３］Ｐａｌｌａｓ．Ａｒｅｎｙ Ｒ，Ｗｅｂｓｔｅｒ Ｊ Ｇ．传感器和信号调节［Ｍ］．张 伦，译．北京：清华大学出版社，２００４． ［４］ Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｌｏｏｐ—Ｐｏｗｅｒｅｄ ４—２０ｍＡ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ＡＤ６９３［Ｚ］． ［５］ ＣＯＮＴＥＣ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｂｒａｒｙ ｆｏｒ ＭＡＴＬＡＢ ＭＬ－ＤＡＱ Ｓｅｔｕｐ＆Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］． ［６］罗华飞．ＭＡＴＬＡＢ ＧＵＩ设计学习手记［Ｍ］．北京：北京航 空航天大学出版社，２０１１． （上接第１８页） 参考文献： ［１］赵伟，庞海波，刘灿涛．电能表技术的发展历程［Ｊ］．电 测与仪表，１９９９，３６（６）：４—７． ［２］ 王柏林，侯勇．多功能电度表及红外抄表器的红外通讯 设计［Ｊ］．电测与仪表，２００１，３８（１１）：３３—３７． ［３］ 杨瑞霞．基于ＧＰＲＳ电力无线抄表系统的设计与实现 ［Ｊ］．电测与仪表，２００７，４４（１２）：３０—３２． ［４］ 侯勇，王柏林，顾燕．一体化红外线接收模块及其在红外 抄表通讯中的应用［Ｊ］．自动化与仪表，２００１，１６（５）． ［５］郑宇，姚加飞．基于蓝牙通信的电表抄表系统设计［Ｊ］．低 压电器，２００７（１２）：１０—１３． ［６］ Ｆａｒａｈａｎｉ Ｓ．ＺｉｇＢｅｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓ ［Ｍ］．ＵＳＡ，Ｎｅｗｎｅｓ，２００８． ［７］ 徐伟．短距离无线通信与ＧＰＲＳ通信相结合的小区抄表 系统设计［Ｊ］．仪表技术，２００９（３）：３７—３８． ［８］曹舒．采用智能电表的居民用户无线自动抄表系统［Ｊ］． 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