基于嵌入式系統(tǒng)的電力線載波通信接口設(shè)計(jì)

摘要：電力線通信存在信號(hào)衰減快、線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等諸多問題，使得通過電力線通信有較大的困難，PL2000A型電力線擴(kuò)頻載波通信專用電路能為此類問題提供較好的解決方案。介紹基于嵌入式系統(tǒng)和PL2000A的載波通信功能的應(yīng)用接口，分析基于該電路的低壓電力線載波通信應(yīng)用的設(shè)計(jì)原理，給出相應(yīng)的電路圖和部分軟件代碼。
關(guān)鍵詞：HL2000A；低壓電力線；載波通信；嵌入式系統(tǒng)接口；調(diào)制解調(diào)器

l 概述
    作為世界上最大的網(wǎng)絡(luò)，電力線網(wǎng)絡(luò)的主要功能是輸送電能。但是，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于電力線路的通信成為近年的熱門話題。利用電力線來實(shí)現(xiàn)通信對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備之間的通信和現(xiàn)代電能計(jì)量管理將起重要作用，目前國內(nèi)和國外都有一些成功的應(yīng)用實(shí)例，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是基于電力線載波通信的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。另外，對(duì)電能數(shù)據(jù)的采集和傳輸、對(duì)電力設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)，以及電能的優(yōu)化調(diào)度等也可以借助電力線通信來實(shí)現(xiàn)?；谳d波技術(shù)的電力線通信已成為目前電力系統(tǒng)智能化通信的發(fā)展方向之一。

2 電力線載波通信的方式和特點(diǎn)
    電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式高速傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的技術(shù)。由于使用堅(jiān)固可靠的電力線作為載波信號(hào)的傳輸介質(zhì)，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理等特點(diǎn)，是惟一不需要線路投資的有線通信方式。
    電力線通信是先將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過耦合器耦合到220 V或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實(shí)用的新興通信手段，而且具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護(hù)、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了良好的前景和巨大的市場(chǎng)潛力。
    電力線通信的關(guān)鍵是如何保證在電力線上長距離可靠通信。在電力線上通信存在以下問題：電力線間歇性噪聲較大(某些電器的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲)；信號(hào)衰減快；線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等等。這些問題使電力線通信非常困難。電力線載波通信的關(guān)鍵是功能強(qiáng)大的電力線載波專用電路。目前,采用PL2000A型電力線收發(fā)器(或調(diào)制解調(diào)器)等專用電路能提供較好的解決方案。

3 PL2000A簡(jiǎn)介
    PL2000A是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，是PL2000型的升級(jí)產(chǎn)品。它由+5V單電源供電，用一種外部接口電路與電力線耦合。PL2000A除具備原有系統(tǒng)基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置5種常用功能電路：實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、32Bytes的SRAM、電壓監(jiān)測(cè)器、看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路,它們都通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口與外部的微處理器相連，其中時(shí)鐘和32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3 V備用電池供電。PL2000A是特別針對(duì)我國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信電路，信噪比及數(shù)據(jù)傳輸性能比PL2000有大幅度的提高，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一倍(500 b/s)。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成、二相相移鍵控等新技術(shù)，還具有120 kHz的載頻，15 kHz的帶寬，0.5 mVrms(500 b/s)的接收靈敏度，15位偽碼長度和可編程同步捕獲門限的功能，以及大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.5μm CMOS工藝，所以抗干擾、抗衰減性價(jià)比等更加突出。

4 擴(kuò)頻通信的原理
    擴(kuò)頻通信技術(shù)是利用與欲傳輸數(shù)據(jù)(信息)無關(guān)的碼對(duì)被傳輸?shù)男盘?hào)擴(kuò)展頻譜，使之占有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳送信息所必需的最小帶寬，在接收機(jī)中利用同一碼進(jìn)行相關(guān)接收和恢復(fù)數(shù)據(jù)。從著名的Shnaon公式可知，在白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的信道容量可用下式表示：

   
    其中，B為信道帶寬，S為信號(hào)平均功率，N為噪聲平均功率，若白噪聲功率譜密度為No，則

   
    對(duì)于干擾環(huán)境下的典型情況,S/N<<1，應(yīng)用冪級(jí)數(shù)展開，則可得：

   
    這說明對(duì)于給定的信道容量而言，既可用增大信道帶寬同時(shí)相應(yīng)降低信噪比的辦法達(dá)到，又可以用減小信道帶寬同時(shí)相應(yīng)增大信噪比的辦法來實(shí)現(xiàn)，也就是說信道容量可以利用信道帶寬與信噪比的互換而保持不變。從理論上講，對(duì)于任意給定的信噪比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，就可以增加在信道中無誤差傳輸?shù)男畔⑺俾省?BR>

5 電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
    采用PL2000A的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)配合單片機(jī)完成數(shù)據(jù)在電力線通信線路的擴(kuò)頻發(fā)射和擴(kuò)頻接收。通過單片機(jī)的串口及電平轉(zhuǎn)換，還可與PC上位機(jī)通信。從圖l可以看出，該通信系統(tǒng)的硬件主要有電源、RS-232接口部分、單片機(jī)處理部分、載波接口部分(如載波信號(hào)接收、載波信號(hào)發(fā)射和載波信號(hào)預(yù)處理等)、單片機(jī)復(fù)位等接口電路。

    在圖l中，作為電力線通信系統(tǒng)核心的PL2000A完成載波信號(hào)的接收和解擴(kuò)，當(dāng)然還需由其他部件(如圖2中的MC3361)完成載波信號(hào)預(yù)處理；載波擴(kuò)頻發(fā)射由單片機(jī)控制，通過PL2000A完成擴(kuò)頻編碼處理，再通過后續(xù)推動(dòng)電路完成擴(kuò)頻載波信號(hào)的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式，由幀頭進(jìn)行同步，常態(tài)為載波接收模式。單片機(jī)接口提供單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)、看門狗信號(hào)及載波收發(fā)控制信號(hào)。PL2000A具有與51系列單片機(jī)兼容的高電平復(fù)位信號(hào)，由PL2000A的RST端輸出。PL2000A可為單片機(jī)提供看門狗功能，看門狗計(jì)數(shù)器清零輸入端為WDI。當(dāng)WDI端持續(xù)436 ms以上無高低電平變化時(shí)，將導(dǎo)致看門狗計(jì)數(shù)器溢出，使PL2000A的RST輸出復(fù)位高電平。

6 載波通信系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)
6.1 硬件設(shè)計(jì)
    由PL2000A組成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，二極管D3、D4、D5、D6和三極管G1、G2、G3、G4組成功率放大電路，該電路將PL2000A產(chǎn)生的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大后耦合到電力線上。D1、D2、D7、L2、Tl組成載波耦合接收電路。由功率放大電路放大后的信號(hào)波形富含諧波，為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。由電感器L1與電容器完成整形濾波后，再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上，雙向二極管D7起保護(hù)作用。由MC3361對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送到PL2000A的Sin端。
6.2 軟件設(shè)計(jì)
    通信軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)與PL2000A通過FC接口的通信及PL2000A的載波信號(hào)接收和發(fā)射。單片機(jī)通過I2C接口從PL2000A讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的過程如圖3所示，這個(gè)過程是主器件(單片機(jī))讀取PL2000A內(nèi)任意地址的寄存器內(nèi)容，要完成這種方式的讀操作需要首先設(shè)置片內(nèi)地址指針寄存器，這可通過將地址字節(jié)作為寫操作的一部分送給PL2000A來完成。發(fā)送了地址字節(jié)后，主器件在確認(rèn)位后面立即產(chǎn)生起始位，用這種方式結(jié)束寫操作并開始另一次讀操作。主器件再次發(fā)出器件代碼，并使R/W位為“1”，PL2000A將發(fā)出確認(rèn)位并隨后發(fā)送由上次地址寫操作設(shè)置的地址指針尋址的8位數(shù)據(jù)字節(jié)，然后主器件不確認(rèn)傳遞(產(chǎn)生NACK)，再產(chǎn)生停止位結(jié)束本次操作。

    以下是單片機(jī)通過I2C接口從PL2000A讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的部分代碼：

7 結(jié)束語
    由于PL2000A采用擴(kuò)頻方式通信，因此在很多領(lǐng)域都可以推廣和應(yīng)用，如載波抄表(水，電，氣表)、電網(wǎng)管理、家庭自動(dòng)化(網(wǎng)絡(luò)家電，家用電火警及安全防范系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)終端接口及載波電話等。