CN102394748A - 灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法及装置。使各传感器输出端模拟电信号取样并顺次连接数模转换器、从机微处理器、传输通道，形成传感器上的从机；在远端灌浆记录仪输入端增设一端接传输通道，另一端接记录仪的主机微处理器，形成附在记录仪上的主机，将传感器摸拟电信号转变为数字信号传输，且实现主机、从机间由上述通道相互传输数据，用程控方式自动进行传感器真伪询问应答后，再按结果解密数据传入记录仪。可杜绝模拟电信号传输受人为线路干扰和用模拟器替代传感器等作弊发生，保证传输数据的真实性。也可增设机外加密芯片FPGA等使询答程序、加密数据等更加安全可靠。主要用于水电站灌浆工程中传感器的压力、密度、流量、抬动等信号的传输。

Description

灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法及装置

(一)技术领域：本发明是一种传感器信号数字化传输方法及装置。主要用于灌浆记录仪的传感器，属信号传输类(F04B)。

(二)背景技术：

灌浆工程是隐蔽工程，一般用在电站水坝施工中。灌浆是指向电站水坝的堤案、地基等灌入水泥、沙浆等物质，以加强牢固性。因此，灌浆质量将决定电站水坝的整体质量。压水是对灌浆后的堤案、地基进行检测性试验。

目前，灌浆自动记录仪行业传感器信号传输方式主要采用模拟传送，具体工作流程是压力、密度、流量、抬动及相关传感器检测施工现场的灌浆参数，同时将这些参数转换成模拟信号如：电流信号、电压信号、频率信号等，通过信号线缆将信号传送给记录仪，而记录仪则对这些监测数据数字化、显示以及存储打印。

灌浆自动记录仪用于工程计量和质量监控，它能对灌浆施工过程中的灌浆或压水流量、压力、密度等进行记录，并将记录的数据打印成灌浆施工记录表供业主直接观看，使业主了解和掌握灌浆施工质量。但是目前，采用模拟方式传送传感器数据有以下问题：1)传感器输出的信号是模拟电流信号，容易受到人为的线路干扰，如：针对电流信号并联分流电阻、电位器，针对电压信号串联分压电阻、电位器，对频率信号进行分频、倍频等改变频率的装置。2)记录仪的传感器接口也都是标准的电流输入口，容易进行数据作假，如：采用能够提供传感器信号的各种模拟器代替实际传感器信号，达到弄虚作假的目的。由于施工方提供不真实参数数据，不仅使业主利益受损，更严重的是使工程质量出问题造成重大安全事故。

(三)发明内容：

本发明提供的灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法及装置，就是解决现有灌浆传感器信号以摸拟信号传输至记录仪存在作弊机会，使传输数据不真实，影响灌浆工程质量及安全等问题。

其技术方案如下：灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法，其特征是包括：

1)使各传感器输出端模拟电信号获得取样，再顺次连接增设的模数转换电路和从机微处理器，或者取样后直接与含模数转换电路的从机微处理器相联，使模拟电信号转换为数字化加密AD数据；从机微处理器信号端口与增设的传输通道C₁连接；2)在远端的原有灌浆记录仪输入端增设与传输通道C₂连接的主机微处理器，由主机微处理器接收数字数据传输至灌浆记录仪；3)在传感器将模拟电信号送入从机微处理器后，使主机微处理器与从机微处理器间相互传输数据，用程控方法自动进行传感器真伪询问应答后，主机微处理器再按结果将解密数据传入原有灌浆记录仪。

上述方法中，所述询问应答程序的具体步骤，在实施例1中结合附图说明。上述传输方法中还可采用在分别在主机从机内设微处理器外的加密芯片，对应的询问应答程序步骤在实施例2中结合附图说明。上述传输通道可选为有线方式的485、232、以太网、光纤通信方式，或者无线方式的wifi、无线电、GPRS、蓝牙、红外、3G、zigbee通信方式。本实施例1和2中传输通道均选为有线方式的485通信方式，通讯协议中每台从机都有拨码开关来设置自己的总线地址，主机通过发送目的从机地址来建立链路连接。

按上述灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法所需的装置，其特征是：

1)在各传感器输出端分别增设信号端口顺次连接的按模拟电信号类型选取的取样电路2、模数转换电路3、从机微处理器4和传输通道C₁；由此形成附在传感器上的在当地的从机B₁；2)在远端的灌浆记录仪输入端增设与传输通道C₂连接的主机微处理器9；由此形成附在灌浆记录仪上的主机A₁；3)所述主机微处理器和从机微处理器内设有用于相互传输数据，自动进行传感器真伪询问应答的加密软件和询问应答软件。

上述装置中还可以采用在主、从机内微处理机外均增设加密芯片，均选用现场可编程逻辑阵列FPGA或专用集成电路ASIC。上述传输通道选用的有线方式的485通信方式，包括RS485收发器和485总线。其中RS485收发器设有与微处理器信号端口顺次连接的光耦隔离、上电抑制、RS485芯片、电路保护电路。上述所有的主机微处理器和从机微处理器均选用单片机。

本发明有益效果：

1)在灌浆传感器输出端口增设从机，将模拟电信号转换为加密数字信号传输，可完全杜绝模拟电信号传输受到上述人为的线路干扰问题，实现数据传输的防作弊和传输数据的真实性。2)通过增设主机、从机单片机及询问应答程控方法，实现可自动判断记录仪传感器端口连接的传感器真伪，保证传输数据的真实性。3)加密芯片FPGA和ASIC采用了一种安全性、可靠性较高的加密算法，具体的实现还需结合FPGA片上相关资源。采用加密芯片FPGA和ASIC后，使所有询问应答程序、加密数据及判断传感器真伪的方法更不易被破解，更安全可靠。4)每台从机都有拨码开关来设置自己的总线地址，每台从机只有接收到属于自己的命令才回复数据帧，这样的单从通讯模式能够避免多机通信产生的碰撞。5)上述光耦隔离电路可抗干扰；上电抑制电路是网络空闲状态设置，可保证确定状态；电路保护防过电压冲击，综合功能是保证数据稳定可靠地传输。6)采用单片机功耗低、集成高，体积小。

(四)附图说明：

图1本发明实施例1电路方块图；

图2本发明实施例2电路方块图；

图3RS485收发器电路方块图；

图4实施例1主、从机间询问应答程控流程图；

(即为加密软件和询问应答软件)；

图5实施例2主、从机间询问应答程控流程图；

(即为加密软件和询问应答软件)；

图6各种灌浆传感器至记录仪采用本发明数字化传输系统示意图。

实施例1：见图1、图3、图4和图6，

本实施例1灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法如下：

见图6，灌浆工程现场的各种传感器1包括有压力计、流量计a、流量计b、密度计......等。其输出模拟电信号有电流、电压和频率等。大部分为4-20mA的电流模拟信号。主机和从机微处理器分别选用为从机单片机4和主机单片机9。

见图1，如流量计a的传感器1输出4-20mA的电流模拟信号，则应在传感器输出端联接一个取样电阻2作为取样电路2，使之变为电压摸拟信号送入含模数(AD)转换电路3的从机单片机4内。若某传感器输出端提供的原本就是电压模拟信号，则可不必设置取样电路2。取样后的电压摸拟信号经含AD转换的从机单片机4转换为数字化加密AD数据。从机单片机4信号端口与包括从机RS485收发器6和485总线7的传输通道C₁连接。在远端的原有灌浆记录仪11输入端增设与包括主机RS485收发器和485总线7的传输通道C₂连接的主机单片机9，并由主机单片机接收数字数据传输至灌浆记录仪。当传感器1将模拟电信号送入从机单片机4后，使主机单片机9与从机单片机4间通过上述传输通道相互传输数据，用程控方法自动进行传感器真伪询问应答后，主机单片机再按结果将解密数据传入原有灌浆记录仪。

见图4，图1，主机单片机与从机单片机间用程控方法进行的传感器真伪询问应答，包括如下步骤：1)主机向从机发送一串询问随机码；2)从机收到询问随机码后，根据应答规则向主机发送包括询问应答码和加密数据的密文；3)主机收到密文后，提取询问应答码；4)主机结合步骤1)发出的询问随机码，并通过主机单片机内的加密程序生成主机询问应答码；5)主机比较生成的主机询问应答码和从机询问应答码；6)结果是否一致：结果一致进行步骤7)；结果不一致进行步骤8)；7)解密数据：主机单片机将加密数据解密，并直接用明文传给记录仪；8)丢弃数据。记录仪11通过串口RS232访问主机的数据。

见图6，图1，上述485总线通讯协议中每台从机B₁都有拨码开关来设置自己的总线地址，主机A₁通过发送目的从机地址来建立链路连接。

本实施例1灌浆记录仪传感器信号数字化传输装置如下：

见图1在流量计a传感器1输出端增设信号端口顺次连接的取样电阻2、含数模转换电路的从机单片机4、从机RS485收发器6和485总线7；由此形成附在传感器上的在当地的从机B₁；2)在远端的灌浆记录仪11输入端增设与485总线信号端口顺次连接的主机RS485收发器6、主机单片机9；由此形成附在灌浆记录仪上的主机A₁；3)所述主机单片机9和从机单片机4内设有用于相互传输数据，自动进行传感器真伪询答的加密软件和询问应答软件(见图4)。

见图3，RS485收发器内设有与主机单片机或从机单片机信号端口顺次连接光耦隔离电路、上电抑制电路、RS485芯片、电路保护电路，最后与485总线连接。485总线采用485缆线。

实施例2：见图2、图3、图5、图6。

本实施例2除以下方法和装置与实施例1不同，其于全部相同。

见图2，在从机单片机4机外增设相互连接的一硬件从机加密芯片5；在主机单片机9机外增设相互连接的一硬件主机加密芯片10；两个加密芯片均选用现场可编程逻辑阵列FPGA；

见图5，有机外加密芯片后，对应的主、从机间传感器真伪询问应答程序，步骤如下：

①主机向从机发送一串询问随机码；②从机收到询问随机码后，将询问随机码和AD数据经信号端口送入从机加密芯片5，从机加密芯片根据应答规通过从机单片机向主机发送包括询问应答码和加密数据的密文；③主机收到密文后，提取从机询问应答码、加密数据，同时将询问随机码一并经信号端口送入主机加密芯片10，④主机加密芯片根据送入的询问随机码生成主机询问应答码；⑤比较主机询问应答码和从机询问应答码；⑥结果是否一致：结果一致进行步骤⑦；结果不一致进行步骤⑧；⑦主机加密芯片解密数据，并经主机单片机用明文传给记录仪，⑧丢弃数据。

Claims (10)

1.灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法，其特征是包括：

1)使各传感器(1)输出端模拟电信号获得取样，再顺次连接增设的模数转换电路(3)和从机微处理器(4)，或者取样后直接与含模数转换电路的从机微处理器相联，使模拟电信号转换为数字化加密AD数据；从机微处理器信号端口与增设的传输通道C₁连接；

2)在远端的原有灌浆记录仪(11)输入端增设与传输通道C₂连接的主机微处理器(9)，由主机微处理器接收数字数据传输至灌浆记录仪；

3)在传感器将模拟电信号送入从机微处理器后，使主机微处理器与从机微处理器间相互传输数据，用程控方法自动进行传感器真伪询问应答后，主机微处理器再按结果将解密数据传入原有灌浆记录仪。

2.按权利要求1所述数字化传输方法，其特征是所述传感器真伪询问应答程序，包括如下步骤：

1)主机向从机发送一串询问随机码；2)从机收到询问随机码后，根据应答规则向主机发送包括询问应答码和加密数据的密文；3)主机收到密文后，提取询问应答码；4)主机结合步骤1)发出的询问随机码，并通过主机微处理器内的加密程序生成主机询问应答码；5)主机比较生成的主机询问应答码和从机询问应答码；6)结果是否一致：结果一致进行步骤7)；结果不一致进行步骤8)；7)解密数据：主机将加密数据解密，并经主机微处理器送入记录仪；8)丢弃数据。

3.按权利要求1和2传感器信号数字化传输方法，其特征包括：

在从机微处理器机外增设一硬件从机加密芯片(5)；在主机微处理机外增设一硬件主机加密芯片(10)；两个加密芯片均选用现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC；对应的传感器真伪询问应答程序，包括如下步骤：

①主机向从机发送一串询问随机码；②从机收到询问随机码后，将询问随机码和AD数据经信号端口送入从机加密芯片，从机加密芯片根据应答规通过从机微处理器向主机发送包括询问应答码和加密数据的密文；③主机收到密文后，提取从机询问应答码、加密数据，同时将询问随机码一并经信号端口送入主机加密芯片，④主机加密芯片根据送入的询问随机码生成主机询问应答码；⑤比较主机询问应答码和从机询问应答码；⑥结果是否一致：结果一致进行步骤⑦；结果不一致进行步骤⑧丢弃数据；⑦主机加密芯片解密数据，并经主机微处理器送入记录仪，⑧丢弃数据。

4.按权利要求1所述数字化传输方法，其特征是传输通道选为有线方式的485、232、以太网、光纤通信方式，或者无线方式的wifi、无线电、GPRS、蓝牙、红外、3G、zigbee通信方式。

5.按权利要求1或4所述数字化传输方法，其特征是传输通道选为有线方式的485通信方式，通讯协议中每台从机都有拨码开关来设置自己的总线地址，主机通过发送目的从机地址来建立链路连接。

6.按权利要求1所述灌浆记录仪传感器信号数字化传输方法所需的装置，其特征是：

1)在各传感器输出端分别增设信号端口顺次连接的按模拟电信号类型选取的取样电路(2)、模数转换电路(3)、从机微处理器(4)和传输通道C₁；由此形成附在传感器上的在当地的从机B₁；2)在远端的灌浆记录仪输入端增设与传输通道C₂连接的主机微处理器(9)；由此形成附在灌浆记录仪上的主机A₁；3)所述主机微处理器和从机微处理器(4)内设有用于相互传输数据，自动进行传感器真伪询问应答的加密软件和询问应答软件。

7.按权利要求6所述数字化传输装置，其特征是在从机内设置在从机微处理器外且相互连接的从机加密芯片(5)，在主机内设置在主机微处理器外且相互连接的主机加密芯片(10)。

8.按权利要求7所述数字化传输装置，其特征是所述从机加密芯片和主机加密芯片均选用现场可编程逻辑阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

9.按权利要求6所述数字化传输装置，其特征是所述传输通道选用有线方式的485通信方式，包括RS485收发器和485总线，其中RS485收发器设有与微处理器信号端口顺次连接的光耦隔离、上电抑制、RS485芯片、电路保护电路。

10.按权利要求2或3中传输方法和权利要求中6、7或9的传输装置，其特征是所述主机微处理器和从机微处理器均选用单片机。

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