ST7536的電力載波網(wǎng)絡(luò)的路由算法研究

    摘要：法國ST公司的ST7536是一個(gè)半雙工、同步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。它專為低壓電力線傳輸而設(shè)計(jì)，較好地克服了低壓電力載線波傳輸中的技術(shù)問題。但是在實(shí)際應(yīng)用中，電力載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離均無大于其芯片的通信距離，所以必須使用相應(yīng)的算法來補(bǔ)償，從而更好地應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。本文介紹一種簡單可行的路由算法。

    關(guān)鍵詞：ST7536 電力線載波 數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò) 路由算法

引言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展，能夠大量節(jié)約人力物力的自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，電力載波技術(shù)就是在這一形式下推出的一項(xiàng)技術(shù)。電力線載波（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于使用堅(jiān)固可靠的電力線作為載波信號(hào)的傳輸媒介，因此具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、可同時(shí)復(fù)用遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)等特點(diǎn)，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。電力線載波通信技術(shù)可以進(jìn)行模擬（語音信號(hào)）或數(shù)字信息（如家居控制信號(hào)）的半雙工傳輸，可廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng)化、小型辦公室、家庭辦公室通信（如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)部信件、游戲、音頻、視頻）等領(lǐng)域，具有節(jié)省費(fèi)用、安裝方便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。

圖1

    作為通信技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通信技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場(chǎng)而為全世界所關(guān)注，成為世界各大公司及研究單位爭相研究的熱點(diǎn)。國外許多著名公司和研究單位，如Intellon、Thomson、Atmel等，都在外此進(jìn)行研究，并開發(fā)出相應(yīng)的器件和產(chǎn)品；而國內(nèi)的許多企業(yè)也緊隨國際步伐，在利用電力線傳輸信息，特別是在遠(yuǎn)程抄表及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方面已逐步形成應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

1 ST7536簡介

ST7536是單芯片Modem，有28個(gè)引腳。ST7536芯片的集成度很高，只需要較少的外部元件來完成所有操作：1個(gè)晶振，4個(gè)電阻和5個(gè)電容。表1給出其各主要引腳的功能。

表1 ST7536主要引腳說明

ST7536屬于半雙工同步調(diào)制解調(diào)集成電路，采用低成本的同步FSK調(diào)制方式。它有兩種工作方式：接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。工作方式是由Rx/Tx控制輸入端決定的，數(shù)據(jù)的輸入輸出與時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)。此時(shí)鐘信號(hào)由ST7536產(chǎn)生。當(dāng)ST7536工作于發(fā)送方式時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)（TXD）在時(shí)鐘的正沿被抽樣，然后進(jìn)入FSK調(diào)制器。它的工作頻率是由時(shí)間基準(zhǔn)和控制邏輯來設(shè)定的。在正常工作狀態(tài)，信號(hào)混合電路決定送至發(fā)送濾波器的FSK調(diào)制信號(hào)。此濾波器是一開關(guān)型的電容帶通濾波器。

在接收方式時(shí)，信號(hào)通過接收模塊輸入端（RAI）進(jìn)入，被接收信號(hào)經(jīng)過接收帶通濾波器濾波。接收濾波器與發(fā)送濾波器一樣，也是開關(guān)電容濾波器，也用自動(dòng)頻率控制電路來將此濾波器設(shè)定于正確的工作頻率上。經(jīng)過放大之后，此接收信號(hào)頻率向下變換并經(jīng)中頻帶通濾波器濾波，得到的信號(hào)送至FSK解調(diào)器。中頻濾波器（IFQ）輸出和FSK解調(diào)器輸入（OEMI）間的耦合是由外部的電容來完成的，它濾除了失調(diào)電壓。時(shí)鐘恢復(fù)電路從FSK解調(diào)器的解調(diào)輸出中接收時(shí)鐘信號(hào)（CLR/T）。同步接收的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘正沿被傳送。

ST7536的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ST7536符合DH028/29ENEL、歐洲CENELECEN50065-1標(biāo)準(zhǔn)以及美國的FCC規(guī)定。一個(gè)由ST7536作電力載波通信芯片的系統(tǒng)是由微處理器、接口電路和ST7536本身組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 路由算法的實(shí)現(xiàn)

路由器是網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)部件，可提供比網(wǎng)橋更豐富、靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部件之一。路由算法是用軟件方法實(shí)現(xiàn)路由的功能。

路由算法的工作原理及操作過程主要包括下面幾點(diǎn)。

①接收數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解。當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，要先驗(yàn)證其合法性，然后把報(bào)頭、報(bào)文和校驗(yàn)字節(jié)分離開來。最后再根據(jù)報(bào)頭的不同，選擇進(jìn)行什么操作。

②對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。當(dāng)接收到有效的報(bào)文時(shí)，路由器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)IP廣播或多播時(shí)，也可能是一種混合的情況。對(duì)這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個(gè)規(guī)則進(jìn)行處理：

*當(dāng)IP數(shù)據(jù)包中有一個(gè)源路由選項(xiàng)時(shí)，它將被轉(zhuǎn)發(fā)而不進(jìn)行本地提交；

*當(dāng)IP目的地址或其非轉(zhuǎn)發(fā)多播地址中的某一個(gè)地址與數(shù)由器的某個(gè)端口地址相符時(shí)，將進(jìn)行地提交；

*當(dāng)IP目的地址是一個(gè)廣播地址，或者是個(gè)既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時(shí)，將同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)操作。

③轉(zhuǎn)發(fā)尋址。當(dāng)路由器決定要轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)IP數(shù)據(jù)包時(shí)，先要確定下一個(gè)路由器的地址。如果數(shù)據(jù)包中包括路由器選項(xiàng)而且驗(yàn)證其合法時(shí)，則下一個(gè)路由器地址可取自自身列表中的一項(xiàng)，而源地址應(yīng)該是寫成廣播源的地址。

④轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些校驗(yàn)工作，而只有驗(yàn)證無誤的時(shí)候才能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗(yàn)分兩個(gè)部分：一個(gè)是IP的驗(yàn)證，看是否接收到的數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP符合要求；二是具體數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，看校驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是否有誤（筆者使用的是CRC校驗(yàn)方式）。

⑤同步字節(jié)的設(shè)置。這一項(xiàng)在通常的路由算法中并不存在，但是在筆者使用的ST7536芯片通信中需要強(qiáng)調(diào)使用。因?yàn)樵撔酒且酝絺鬏敺绞焦ぷ鞯?，為了保證其通訊數(shù)據(jù)的正確傳輸，要首先在報(bào)文前面加1～2字節(jié)的同步字節(jié)位。

由于電力載波網(wǎng)絡(luò)的采集器與集中器之間的距離在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最大通信距離，所以必須使用路由算法來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。

由于載波網(wǎng)絡(luò)的硬件十分固定，而且相對(duì)來說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也比較少，所以我們使用路由算法中的中繼器方式和靜態(tài)路由表算法。

圖3為電力載波網(wǎng)絡(luò)通信原理。圖中的采集器1、2可以直接和集中器進(jìn)行通信，而采集器3、4、5由由于通信距離過遠(yuǎn)不能直接和集中器進(jìn)行通信，因而要利用采集器1、2作為中繼器間接與采集器進(jìn)行通信。采集器1、2中安放的靜態(tài)路由表中分別為采集器3和采集器4、5的地址。

在載波網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，傳輸數(shù)據(jù)包的格式按照現(xiàn)場(chǎng)總線的規(guī)定方式：

圖4給出采集器的1的中繼器算法流程。

圖4

    其中需要注意的是，無論是采集器還是集中器，如果校驗(yàn)位與校驗(yàn)結(jié)果不一致的話，要提示發(fā)送包的單元重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至二者結(jié)果一致為止。這一點(diǎn)在流程圖中沒有被強(qiáng)調(diào)。

結(jié)語

與擴(kuò)頻載波產(chǎn)品（如SSC P300等）相比，盡管ST7536的通信速率與通信距離受到一定的限制；但是由于其具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，因此在國內(nèi)電力載波市場(chǎng)仍具有很大的份額，對(duì)它的應(yīng)用研究仍然具有重要的理論與實(shí)際意義。

本文給出了在基于ST7536的電力載波的通信網(wǎng)絡(luò)中，為了克服芯片的通信距離離不夠而需要用到的一種相對(duì)簡單的路由算法。應(yīng)用該算法可以使電力載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離大大算法，從而提高電力載波芯片的應(yīng)用范圍，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，特別是在小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有著較好的效果。