用51兼容芯片PL3200設(shè)計(jì)直序擴(kuò)頻平臺(tái)

摘 要：PL3200芯片是一種兼容8051指令的SoC芯片，它包含多個(gè)功能擴(kuò)展模塊，具有電能測(cè)量、載波擴(kuò)頻等強(qiáng)大的功能。本文介紹PL3200的主要特點(diǎn)及其載波通信功能模塊，并針對(duì)該芯片提出一種電力線載波通信的實(shí)現(xiàn)方案。


關(guān)鍵詞：PL3200 直接序列擴(kuò)頻 載波通信 8051


引 言：

　　擴(kuò)頻通信就是待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機(jī)碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端采用同樣的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這種通信方式與一般常見的窄帶通信方式不同，是擴(kuò)展頻譜后進(jìn)行寬帶通信，再在接收端進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)成窄帶后解調(diào)數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信具有強(qiáng)抗干擾性、抗噪聲、抗多徑衰落、可碼分復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，是比較先進(jìn)的通信技術(shù)。

　　電力線載波通信是指用電力線路作為通信媒體進(jìn)行通信，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、家用電器系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)終端接口等場(chǎng)合。它利用現(xiàn)成的電力線路來傳送數(shù)據(jù)，無需另外架設(shè)通信線路，也不占用現(xiàn)有的通信頻率資源，特別適用于組建小型局域網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)大樓內(nèi)的自動(dòng)控制。但在電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸，工作環(huán)境惡劣，線路阻抗小、干擾大且時(shí)變性大，交流噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響及信號(hào)的衰減也都很大。擴(kuò)頻通信方式因其擴(kuò)頻載波信號(hào)的帶寬通常較大，而受干擾的頻率范圍所占比例相對(duì)減小，因此可以較好的排除電力線上的隨機(jī)干擾。目前，電力線載波通信正朝著使用擴(kuò)頻通信技術(shù)的方向發(fā)展。

　　PL3200是具有電力線載波通信功能的內(nèi)嵌8051增強(qiáng)型高速微處理器的新型SoC產(chǎn)品。該芯片采用新型的CMOS數(shù)/?；旌瞎に囍圃欤哂谐杀镜?、性能高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，能夠很方便的應(yīng)用于電力線通信領(lǐng)域。

1 PL3200的主要特點(diǎn)

　　PL3200是內(nèi)嵌了8051指令的高速微處理器芯片，其軟件易于開發(fā)，具有8/16位雙模式ALU，能夠8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，運(yùn)行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。圖1為PL3200的基本功能結(jié)構(gòu)框圖。
　　　　　　　
　　PL3200芯片采用0.35μm超大規(guī)模數(shù)/?；旌螩MOS制造工藝，是擁有多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SoC(System on Chip)設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)置高精度數(shù)字多功能電能計(jì)量電路，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)完全符合國際GB/T 17883和GB/T 17215；電流通道內(nèi)置可程序設(shè)定增益放大器(PGA)；內(nèi)置了雙通道電流采樣、正/負(fù)功指示數(shù)字邏輯電路；內(nèi)置擴(kuò)頻通信調(diào)制/解調(diào)電路；內(nèi)置4×32段LCD顯示控制/驅(qū)動(dòng)電路或8×8段LED顯示控制/驅(qū)動(dòng)電路；內(nèi)置可數(shù)字頻率校正的實(shí)時(shí)鐘；內(nèi)置可對(duì)電能計(jì)量精度和實(shí)時(shí)鐘精度進(jìn)行溫度分段線性補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?；?nèi)置2.5V±8%電壓源基準(zhǔn)；內(nèi)置串行程序存儲(chǔ)器編程接口，支持在系統(tǒng)編程(ISP)；采用5V單電源供電；內(nèi)置完善的電源電壓監(jiān)測(cè)電路。

2 內(nèi)嵌微處理器部分功能概述

　　PL3200內(nèi)嵌的增強(qiáng)型8051兼容微處理器，配置了8/16位ALU、256B+1024B SRAM以及16KB E2PROM、3個(gè)8/16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)看門狗定時(shí)器以及3個(gè)外部中斷，為用戶提供豐富的嵌入式資源和理想的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。其增強(qiáng)型8051兼容微處理器，采用超級(jí)指令流水線架構(gòu)，同等主頻情況下，8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器。另外，該芯片還具有兩個(gè)全雙工UART(通用異步收發(fā)器)，一個(gè)可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個(gè)可配置為RS485通信模式，提供了多種方便的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3 載波通信模塊的原理及功能設(shè)置

　　PL3200芯片內(nèi)集成的載波通信單元采用QPSK調(diào)制方式，并擁有可變偽隨機(jī)碼速率(帶寬)的多地址通信技術(shù)。載波通信單元采用直接序列擴(kuò)頻方式。在擴(kuò)頻接收的過程中主要包括載波信號(hào)的捕獲和同步。

　　捕獲是接收模塊在擴(kuò)頻序列精確同步前，搜索接收信號(hào)，使接收信號(hào)的擴(kuò)頻序列與本地?cái)U(kuò)頻序列在相位上進(jìn)入可同步保持的范圍之內(nèi)，即二者的相位在一個(gè)擴(kuò)頻序列碼元之內(nèi)。由于載波通信單元所選用的擴(kuò)頻偽碼具有很強(qiáng)的自相關(guān)性，所以通過比較本地偽碼和接收序列之間的相關(guān)性與設(shè)定閾值的高低，就能在捕獲過程中判定是否停止偽碼的滑動(dòng)，以完成捕獲。捕獲完成后進(jìn)入跟蹤階段，動(dòng)態(tài)地調(diào)整本地偽碼產(chǎn)生器的時(shí)鐘速率，使本地偽碼能夠自動(dòng)地和接收到信號(hào)的偽隨機(jī)碼保持精確同步。擴(kuò)頻序列的跟蹤電路采用全數(shù)字基帶延遲鎖定環(huán)(delay locked loop)電路。在載波通信單元每次置為發(fā)送態(tài)后，硬件會(huì)首先發(fā)送40個(gè)偽碼周期的全“1”序列，用于使接收端與發(fā)送端的偽隨機(jī)碼同步和用于識(shí)別幀頭的8個(gè)偽碼周期的幀頭序列，軟件不需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。在載波通信單元置為接收態(tài)后，硬件會(huì)在每次偽隨機(jī)碼同步后，開始從數(shù)據(jù)流中搜尋幀頭序列。當(dāng)檢出幀頭序列后，才真正開始接收數(shù)據(jù)，并以字節(jié)的方式送到SSC_BUF寄存器中。在載波通信單元，每處理一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，都是通過SSC_BUF寄存器與CPU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)的。

　　PL3200對(duì)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制方式，其載波中心頻率為120kHz，偽隨機(jī)碼速率可達(dá)到30kbps和15kbps。根據(jù)偽隨機(jī)碼的速率不同，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1kbps和500bps。由于該芯片采用了63位的Gold/Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)40個(gè)，其中32個(gè)Gold序列，8個(gè)Kasami序列，由于使用了擴(kuò)頻技術(shù)，可使各地址之間的干擾減到最小。

　　載波通信單元每次由收態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)態(tài)后，CPU應(yīng)在4ms內(nèi)將新的待發(fā)數(shù)據(jù)填入到SSC_BUF寄存器中，否則硬件將會(huì)在4ms后，自動(dòng)由發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為收態(tài)。載波通信單元處于發(fā)態(tài)時(shí)，應(yīng)該在每次發(fā)送緩沖標(biāo)志為空時(shí)，立即將新的待發(fā)數(shù)據(jù)填入SSC_BUF寄存器中。當(dāng)最后一字節(jié)待發(fā)數(shù)據(jù)向SSC_BUF寄存器填入完畢后，CPU進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換過程結(jié)束。載波通信單元在全部數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，會(huì)自動(dòng)由發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為收態(tài)(強(qiáng)制的由發(fā)態(tài)置為收態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致最后一字節(jié)數(shù)據(jù)丟失)。在接收端，每次通信數(shù)據(jù)包正常接收完畢后，軟件可以通過對(duì)載波通信狀態(tài)寄存器(00H)的寫操作，來強(qiáng)制通知接收邏輯重新開始新的數(shù)據(jù)幀搜索。

　　PL3200載波通信單元的具體設(shè)定，是通過對(duì)載波通信寄存器組(SSC Register Bank)不同地址的寄存器，寫入對(duì)應(yīng)的控制字來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)定功能時(shí)，先向載波通信控制字地址選擇寄存器(SSC_ADR)中寫入選中的載波通信寄存器組的地址，再向載波通信控制字?jǐn)?shù)據(jù)寄存器(SSC_DAT)寫入設(shè)定的控制字。載波通信寄存器組(SSC Register Bank)各地址對(duì)應(yīng)的寄存器如表1所列。
　　　　　　　　
　　在PL3200的載波通信寄存器組中，對(duì)地址為02H(載波通信控制寄存器1)、04H(偽隨機(jī)碼捕獲門限寄存器)和05H(偽隨機(jī)碼精同步門限寄存器)進(jìn)行寫操作時(shí)，要取消寫保護(hù)，才可以將數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的寄存器中。若對(duì)寄存器不再進(jìn)行寫操作時(shí)，應(yīng)將寫保護(hù)使能。取消寫保護(hù)的方法是，用程序向SSC_ADR寄存器寫入FFH，選中寫保護(hù)寄存器的地址，再向SSC_DAT寄存器寫入FFH，即可取消寫保護(hù)，并由程序向相應(yīng)的寄存器進(jìn)行寫操作。在對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行完寫操作后，由程序向SSC_ADR寄存器寫入FFH，再向SSC_DAT寄存器中寫入一非FFH的數(shù)據(jù)，寫保護(hù)將會(huì)被使能。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來指示載波通信單元處于收態(tài)還是發(fā)態(tài)，以及數(shù)據(jù)和幀頭的接收發(fā)送標(biāo)志；02H的寄存器可設(shè)置選擇偽碼的種類(Kasami碼或是Gold碼)、偽隨機(jī)碼的地址選擇位(Kasami碼可選8個(gè)地址，Gold碼可選32個(gè)地址)以及偽隨機(jī)碼的速率(30K碼速率或15K碼速率)及由此確定的數(shù)據(jù)速率(1Kbps或500bps)；03H的寄存器用來設(shè)置偽隨機(jī)碼捕獲的門限閾值，在載波通信單元為接收態(tài)時(shí)，設(shè)定本地與接收到的偽隨機(jī)碼序列相位同步的捕獲門限值，硬件會(huì)按每個(gè)偽碼周期對(duì)本地產(chǎn)生的偽碼與接收到的偽碼進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果與門限值比較，若小于門限值將進(jìn)行一次相位調(diào)整，調(diào)整幅度為半個(gè)偽碼碼元寬度，直到高于設(shè)定的捕獲門限值時(shí)，才不再作調(diào)整，一般若偽碼碼率為30K時(shí)，捕獲門限值將調(diào)整至40H左右；05H的寄存器用于設(shè)定在接收狀態(tài)時(shí)，本地與發(fā)送端偽隨機(jī)碼序列相位同步的精同步門限值，當(dāng)高于偽碼捕獲門限值時(shí)，將進(jìn)行精同步調(diào)整，硬件可以識(shí)別本地偽碼和接收到的偽碼相位是超前還是滯后，從而進(jìn)行向前或向后的相位調(diào)整，當(dāng)小于設(shè)定的門限值時(shí)，認(rèn)為精同步已經(jīng)同步，將不再進(jìn)行調(diào)整。

4 應(yīng)用于擴(kuò)頻載波通信的設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用PL3200的擴(kuò)頻載波通信功能，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(tái)。數(shù)據(jù)由PC機(jī)A的串口RS232發(fā)出，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換后，送入芯片PL3200。在芯片中，先由擴(kuò)展串口UART接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051的控制處理，送入載波通信單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)120kHz的載波頻率調(diào)制后輸出。 此信號(hào)經(jīng)功率放大后可由線圈耦合到低壓電力線上，實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。在接收端，先通過線圈將電力線上的信號(hào)耦合出來，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波限幅，將限幅后的信號(hào)送入PL3200進(jìn)行捕獲、同步及解擴(kuò)處理，經(jīng)由內(nèi)嵌8051的控制，由芯片的UART串口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，送到PC機(jī)B的RS232接口，進(jìn)入PC機(jī)。反之，B的數(shù)據(jù)按相反的路徑傳送給A。整個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
　　　　　　
　　載波通信為總線方式通信，所以載波單元的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)，對(duì)載波模塊可分配不同的通信地址。由于載波通信速率相對(duì)于主頻低很多，為提高CPU效率，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均設(shè)計(jì)為中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對(duì)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送的處理操作。

　　按照數(shù)據(jù)的傳送過程，用C語言編寫芯片的控制程序，設(shè)計(jì)主程序流程如圖3所示。
　　　　　　　　
　　系統(tǒng)在上電后進(jìn)入主程序，在主程序的延時(shí)階段進(jìn)行復(fù)位操作，隨后進(jìn)行資源初始化操作，對(duì)寄存器作初始化設(shè)置。為了防止程序因?yàn)橐馔庠蚨鴮?dǎo)致死機(jī)，PL3200專門設(shè)計(jì)了一套看門狗電路，當(dāng)程序死機(jī)后，經(jīng)過一段由寄存器控制的定時(shí)時(shí)間后，看門狗電路重新復(fù)位8051。所以，程序在運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間間隔，就要不斷地復(fù)位看門狗電路。將復(fù)位看門狗電路的操作編成中斷子程序，每隔一段時(shí)間后對(duì)變量賦值，復(fù)位看門狗電路，此即喂狗操作。在進(jìn)行部分寄存器的初始化重置后，程序依次檢查載波接收中斷和串口接收中斷。如有載波數(shù)據(jù)，則進(jìn)入載波接收中斷，將數(shù)據(jù)送入載波緩存數(shù)組，隨后送串口發(fā)送。如有串口數(shù)據(jù)，則按照協(xié)議格式將數(shù)據(jù)取出，存入串口數(shù)據(jù)緩存數(shù)組，待數(shù)據(jù)接收完整后，進(jìn)入載波發(fā)送中斷，將緩存中的數(shù)據(jù)送載波發(fā)送，成功后將標(biāo)志位清除。主程序再次進(jìn)入循環(huán)，檢測(cè)載波中斷或串口中斷。主程序?qū)χ袛噙M(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，直到有數(shù)據(jù)中斷發(fā)生，進(jìn)入中斷處理程序。

　　當(dāng)載波通信單元中斷使能位有效時(shí)，CPU的中斷2將會(huì)被配置成在載波通信中，用于數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送或接收的中斷。發(fā)生載波中斷時(shí)，程序查詢載波通信寄存器地址00H的bit0位：當(dāng)該位為0時(shí)，進(jìn)入載波接收狀態(tài)；當(dāng)該位為1時(shí)，進(jìn)入載波發(fā)送狀態(tài)。

　　載波接收中斷的流程如圖4所示。在載波接收的過程中，先要查詢載波通信寄存器00H的幀頭標(biāo)志位，如收到幀頭，且芯片處于等待接收狀態(tài)，則接收數(shù)據(jù)的第一字節(jié)；如接收的不是幀頭，則判斷幀頭是否已被接收，而繼續(xù)接收后續(xù)字節(jié)。最后，將接收的數(shù)據(jù)送入載波數(shù)據(jù)緩存數(shù)組，如接收字節(jié)數(shù)超過設(shè)定值，則置接收成功位給串口，并清除正在接收狀態(tài)位，結(jié)束載波中斷，進(jìn)入串口發(fā)送中斷。
　　　　　　　　　
　　載波發(fā)送中斷的流程如圖5所示。當(dāng)串口接收完數(shù)據(jù)后，置載波發(fā)送標(biāo)志位，進(jìn)入載波發(fā)送中斷。中斷程序?qū)⒋诰彺鏀?shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)按字節(jié)送入載波緩存發(fā)送，直至載波發(fā)送的字節(jié)數(shù)超過設(shè)定字節(jié)數(shù)，結(jié)束載波發(fā)送，并清串口緩存數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)。在清除載波發(fā)送標(biāo)志后，結(jié)束中斷，返回主程序，進(jìn)行下一輪的發(fā)送接收查詢。
　　　　　　　　　　　
結(jié) 語

　　使用SoC芯片PL3200設(shè)計(jì)電力線載波擴(kuò)頻數(shù)據(jù)平臺(tái)，應(yīng)用極其簡便，使用C語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)非常方便。同時(shí)，由于使用靈活的ISP編程方式，使程序的修改及下載也十分方便，可以靈活的進(jìn)行功能擴(kuò)展。