基于PSTN的远程水库水位监测系统设计

对上游水库水情的可靠准确掌握是实现灌区配水调度、科学管理的先决条件，水情信息主要是靠人工完成，人为因素影响较大，做不到准确及时的掌握。因此，某灌区管理局拟对其上游三座水库进行水库水位的远程遥测，鉴于水库均处于山区，用无线传输的方式使用方便，但信号强度可能不稳定，因而采用有线方式。有线方式种类较多，主要有双绞线(如网线、电话线)、同轴电缆和光纤等，专用电缆的铺设一次性投资较高，运行期间需专业人员维护。而采用租用电缆的方式则可免去一次性投资的费用，也不用聘用专业职员，而且在通信数据量不大的情况下，运行成本低。因此，本方案在通信方式上采用租用电话线，即PSTN方式。

1 系统组成
    本遥测系统由超声波水位传感器、采集前端机、电信交换机和调度站遥测终端组成，如图1所示。超声波传感器采集水位信息，采集前端机对超声波传感器测到的水位信号进行编码，并通过电话线传送到调度中心，前端机工作模式为被动式，即不进行自动上报水位，等待调度站的遥测指令，若收到正确的遥测指令立即将采集的数据传到调度中心；调度站遥测终端由人工操作，只要按下招测键即可在液晶显示器上显示水库水位。本文研究遥测终端的通讯部分，采集终端和遥测终端的电路类似。

2 单元电路
2．1 硬件系统组成
    本系统主要分2部分，即遥测终端和采集前端机，两者之间双工通讯，其通讯电路基本相同，本文主要对其通信电路进行详细的论述。每个单元电路框图如图2所示，主要包括CPU、电话来电振铃检测、模拟摘机、编码和解码、语音提示电路以及其他电路。其他电路包括液晶显示驱动电路、键盘扫描电路和数据采集电路。下面对几个主要模块电路详细地进行论述。

2．2 振铃检测电路
    公用电话网的传输线路为二线模拟线路，采用直流环路信号方式，能向模拟话机提供直流馈电、振铃信号、话音数据、音频数据、双音频数据等。我国规定的标准为，话机在不通话时，电话线中的直流电压是48 V。当有电话呼入时，同时还有(25±15)V、25 Hz的正弦信号加在电话线上，所以向用户振铃的铃流电压为(75±15)V、25 Hz的交流电压。振铃以5 s为周期，即1 s送，4 s断。振铃检测电路如图3所示。当该信号进入振铃检测电路后，首先用电容C41进行隔直，交流信号经过稳压管VD41降压30 V，然后输入到光电耦合器进行转换，电阻R41起限流作用。光电耦合器输出的信号可以直接被CPU检测。

2．3 模拟摘机电路
    当系统检测到有振铃，且振铃次数为3次，就“接通”电话，这里采用模拟摘机电路，如图4所示。用户话机的摘挂机状态，是通过对直流环路上电流的通断来实现的。用户挂机时，直流环路开路，电流为0；反之，用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在20 mA以上。因为程控电话交换机对电话摘机的响应，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。图4中，NPN三极管VQ202接收到CPU控制端发出的高电平就开通，然后将PNP三极管VQ201的基极电位拉低，VQ201开通，即直流环路接通，R203(300 Ω)是限流电阻，B201是整流桥，保证VQ201一直开通。

2．4 编码译码电路
    编码译码电路采用MITEL公司的低功耗、高稳定性芯片MT8880，这是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号收发器。DTMF信号的接收部分采用DTMF信号接收单片机MT8870的工业制造标准；发送部分采用开关电容进行D／A转换发送高精度、低畸变的DTMF信号。内部寄存器提供一个群模式。在双音频群模式下DTMF信号可以通过精确的时序被发送出去。可选择呼叫处理滤波器让一个微处理器处理呼叫音频信号。图5是编码解码电路，IN+、IN-分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端，即接收DTMF信号的输入端，本设计采用单端输入；GS是内部放大器的输出端，R10和R11可调节增益；信号的耦合方式上采用阻容隔离，由C10来实现；OSC1和OSC2是TDMF时钟输入端，Y1是石英晶体时钟，频率为3．579 545 MHz；TONE是双音频信号输出端；R／W是读写控制端，RS0是内部寄存器控制端，用于操作内部寄存器；IRQ／CP在双音频模式并且在中断模式(IRQ)时，当收到有效DTMF信号或准备发送DTMF信号时该端由高电平变到低电平；在呼叫处理模式(CP)且检测到有效信号音时，该端输出方波；D0-3是写入命令或读出状态的数据线。

2．5 CPU及其最小系统
    CPU采用silicom公司的单片机C8051F021，这是一款混合信号ISP FLASH、高速8051内核的微控制器。片内集成多路12位和8位ADC，为数据采集提供方便；4个8位双向IO口可直接控制键盘输入、液晶输出、声音播放、模拟摘机、振铃检测、译码和解码芯片而无需外扩IO口；片内JTAG调试电路可进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。图6是单片机的最小系统。U1是单片机；其P0口主要是多功能口，有2个串口(与人机界面通讯，与传感器通讯)、1个I2C口(用于EEPROM)、中断入口(振铃检测)和1个通用IO口(模拟摘机)；P1口主要完成和MC8880的通讯；P2口和部分P3和ISD1420相连；AD口可连接传感器；另外，还有复位电路(由图6中R1、R2、C3和C4组成)，J1接口是JTAG接口用于调试和下载程序，振荡电路(由X1、C1和C2组成)。

2．6 其他电路
    除了上述的CPU和PSTN通讯部分电路外，本系统还有电源电路、信号调理部分、存储电路和串口电平转换电路，由于篇幅有限不在这里论述。

3 结论
    本文提出的方案和具体电路在陕西某灌区进行了试验，经过30天的不间断工作，结果表明，该方案是可行的也是可靠的，硬件电路是正确的，可达到无人值守或少人值守的要求，为后续进一步生产推广提供技术保障。