基于CPLD的高壓電力線FSK MODEM設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：CPLD FSK MODEM
1 國內(nèi)電力線載波的應(yīng)用
在電力系統(tǒng)中，由于電力線載波使用堅(jiān)固可靠的高壓電力線作為信號(hào)的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設(shè)投資，再加上電力線載波信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時(shí)復(fù)用遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)等特點(diǎn)，使得這種電力系統(tǒng)獨(dú)有的通信方式在數(shù)字微波、一點(diǎn)多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現(xiàn)的今天仍得到持續(xù)的發(fā)展。
由于數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近，因此電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線載波專用MODEM芯片。國外在電力線載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續(xù)推出了自己的電力線載波MODEM芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。由于國外電力線載波MODEM芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)的，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，因此在國內(nèi)使用都難盡如人意。
圖1 FSK MODEM系統(tǒng)組成
電力線載波MODEM芯片雖然容易使用，但它的中心頻率和頻偏比較固定，對(duì)特殊的應(yīng)用場合就難以發(fā)揮作用。因此有根據(jù)特殊應(yīng)用來開發(fā)電力線載波MODEM的必要。以下討論的就是一個(gè)應(yīng)用于100kV的高壓電力線FSK MODEM的設(shè)計(jì)。
2 實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的難點(diǎn)
由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線通信具有以下特點(diǎn)。
①配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。
②三相電力線間有很大信號(hào)損失（10dB～30dB）。通信距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。
③不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同，耦合方式有線-地耦合和線-中線耦合。與線-中線耦合方式相比，線-地耦合方式電力載波信號(hào)損失十幾dB，但線-地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。
圖2 RS232-TTL轉(zhuǎn)換及緩沖電路
④電力線存在脈沖干擾。目前國內(nèi)使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值。兩次峰值會(huì)帶來兩次脈沖干擾，因此電力線上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨毤右蕴幚?。有一種利用波形過零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場通信數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應(yīng)用。
⑤電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆譳m。但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十m。因此，只有通過進(jìn)一步提高載波信號(hào)功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｌ岣咻d波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。
因此電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個(gè)不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信已成為可能。
3 系統(tǒng)組成及工作原理
如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：調(diào)制部分和解調(diào)部分。
待解調(diào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流通過輸入緩沖器后進(jìn)入調(diào)制模塊。調(diào)制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線路上。
待解調(diào)的FSK正弦波通過輸入放大器，波形變換電路變換成為FSK方波，在輸入到解調(diào)模塊解頻之后，經(jīng)過輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。
在下面我們將對(duì)這兩部分作詳細(xì)進(jìn)行說明。
3.1 調(diào)制部分
調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過緩沖隔離后，由CPLD采樣來判斷當(dāng)前輸入電平的高低，并在FSK信號(hào)輸出端產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波。表1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的方波頻率表。
表1 調(diào)制規(guī)則表
| 邏輯電平值 | 方波頻率值 |
| H | 2860Hz<x<3260Hz |
| L | 2460Hz<x<2860Hz |
隨著二進(jìn)制數(shù)據(jù)的跳變，在FSK信號(hào)輸出端產(chǎn)生不同頻率的方波，從而形成了FSK調(diào)制波形（方波）。
由于方波是由無窮個(gè)逐次倍頻的正弦波組成的，如下式所示
ω0=2πf，f為基頻，就是方波的頻率。
所以我們可以在CPLD的FSK信號(hào)輸出端后，加入一個(gè)低通濾波器來濾除方波的高頻諧波分量，濾波器輸出的則是對(duì)應(yīng)于方波的同頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)過緩沖放大后即可輸出FSK信號(hào)。
3.2 解調(diào)部分
FSK信號(hào)是通過波形變換電路（由比較電路及緩沖放大電路組成）變換成為同頻同相的方波。CPLD對(duì)方波進(jìn)行頻率識(shí)別，并在數(shù)據(jù)輸出端輸出解頻后的數(shù)據(jù)流。
3.3 技術(shù)指標(biāo)
載波上限頻率—3260Hz。
載波下限頻率—2460Hz。
載波中心頻率—2860Hz。
波特率—300bps，600bps，1200bps。
調(diào)制方式—FSK。數(shù)據(jù)為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間的正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
圖4 過零檢測電路
4 硬件設(shè)計(jì)
4.1 輸入緩沖及輸出緩沖
計(jì)算機(jī)一般是通過串口傳輸數(shù)據(jù)，所以要用RS232TTL轉(zhuǎn)換芯片MAX232來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過緩沖器CD4050來隔離并驅(qū)動(dòng)后級(jí)，如圖2所示。
4.2 輸出濾波器，輸出放大器
因?yàn)樾枰獮V掉載波下限頻率的三次倍頻7380Hz（2460Hz×3）以上的頻率，因此該濾波器的截至頻率設(shè)計(jì)為4000Hz（>3260Hz）。為了減小體積，這里采用了Maxim公司的開關(guān)電容（switched capacitor）濾波器MAX7411。MAX7411是一個(gè)五階低通橢圓開關(guān)電容濾波器，具有非?？斓南陆刀惹译娐肥趾啙崱D3是由MAX7411構(gòu)成的濾波器。
INPUT為輸入頻率fIN，OUTPUT為輸出頻率fout'CLOCK為截至頻率fc。該濾波器的效果如表2所列。
由表2可見，在1.25fc處信號(hào)衰減達(dá)到-38.5dB，已經(jīng)可以忽略了。
表2 MAX7411的濾波參數(shù)
| 參 數(shù) | 條 件 | 最 小 | 典 型 | 最 大 | 單 位 |
| 插入增益 | fIN=0.38fc | -0.4 | -0.2 | 0.4 | dB |
| fIN=0.68fc | -0.4 | 0.2 | 0.4 | ||
| fIN=0.87fc | -0.4 | -0.2 | 0.4 | ||
| fIN=0.97fc | -0.4 | 0.2 | 0.4 | ||
| fIN=fc | -0.7 | -0.2 | 0.2 | ||
| fIN=1.25fc | -38.5 | -34 | |||
| fIN=1.43fc | -37.2 | -35 | |||
| fIN=3.25fc | -37.2 | -35 |
我們的截止頻率是4000Hz，即4000=1.25×fC。所以fc=3200Hz。該頻率由CPLD產(chǎn)生。
為了能夠推動(dòng)后級(jí)設(shè)備，必須在濾波器之后加上輸出放大器，這里采用FC411。電路為普通的反相放大器電路。
4.3 輸入放大器和波形變換電路
如圖4所示，輸入的FSK和正弦信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放TLE2037放大后，輸入比較器LM311進(jìn)行過零點(diǎn)檢測。由于在接地處有較強(qiáng)的噪音，因此必須在電路設(shè)計(jì)上考慮抗干擾的問題，如采取隔離、浮地等措施。LM311是一款高速比較器，比較速度最在為165ns，它的輸出兼容TTL和MOS電路。LM311通過過零檢測，把FSK波形轉(zhuǎn)換成方波輸入CPLD，由CPLD進(jìn)行頻率分析，從而實(shí)現(xiàn)解頻的目的。
5 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件最主要的部分就是調(diào)制和解調(diào)軟件的設(shè)計(jì)，還有一部分是濾波器的時(shí)鐘產(chǎn)生及工作狀態(tài)指示與工作模式選擇。
此系統(tǒng)可以選擇300bps、600bps、1200bps三種波特率，由外部的跳線決定。
工作指示用來指示波特率及系統(tǒng)是否繁忙。如果需要還可以輸出同步的時(shí)鐘信號(hào)。
5.1 調(diào)制部分
如圖5所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測數(shù)據(jù)輸入引腳的狀態(tài)，如果狀態(tài)變化，則檢測當(dāng)前的波形是否完整（為了保證相位的穩(wěn)定，要求必須在最靠近波形零點(diǎn)的地址切換頻率），如是則切換輸出頻率。
5.2 解調(diào)部分
如圖6所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測FSK信號(hào)的頻率，并切換輸出的數(shù)據(jù)。
結(jié)語
原來采用MCU調(diào)制和解調(diào)，但是MCU的速度極大的影響了系統(tǒng)性能，尤其是抗干擾能力，使得決定采用高速的比較器和CPLD來進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，使得系統(tǒng)的整體性能得到了較大的提高，目前已用于100kV的高壓電力線上的控制數(shù)據(jù)傳輸。
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