電力載波通信控制終端設(shè)計(jì)

   電力線載波（PLC）通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。然而，以下缺點(diǎn)導(dǎo)致PLC的主要應(yīng)用——“電力上網(wǎng)”未能大規(guī)模應(yīng)用。

1. 配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用；
   
2. 三相電力線間有很大信號(hào)損失（10～30dB）；
   
3. 不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同；
   
4. 電力線存在固有的脈沖干擾；
   
5. 電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。

   技術(shù)問(wèn)題未來(lái)有可能被克服，但是從目前國(guó)內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來(lái)看，留給PLC的時(shí)間和空間并不寬裕。家庭智能系統(tǒng)的研究給PLC帶來(lái)了新的機(jī)遇。該系統(tǒng)以PC為核心實(shí)現(xiàn)家電的智能控制。因?yàn)閿?shù)據(jù)僅在家庭范圍傳輸，束縛PLC應(yīng)用的五大困擾將不復(fù)存在，遠(yuǎn)程對(duì)家電的控制我們也能通過(guò)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)先連接到PC然后再控制家電方式實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中要求家電與PC通過(guò)電力線通信終端連接完成數(shù)據(jù)傳輸功能，該終端技術(shù)上要求能夠在電力線環(huán)境下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)抗干擾能力。

   本文所介紹的系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)頻通信技術(shù)來(lái)克服干擾，采用SC1128設(shè)計(jì)電力載波通信控制終端,載波頻率為250kHz，帶寬為100kHz，4周波調(diào)相，數(shù)據(jù)速率1kb/s，可實(shí)現(xiàn)低壓電力線的通信功能。

電力載波modem芯片的選擇

   國(guó)外較早對(duì)電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片。目前市場(chǎng)上先進(jìn)的電力載波modem（調(diào)制/解調(diào)）芯片主要有Intellon公司的SSCP300芯片和Echelon公司的PLT-22芯片。其中SSCP300采用了擴(kuò)頻（Chirp方式）調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可以稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢(shì)。但SSCP300在國(guó)內(nèi)電力線載波領(lǐng)域使用效果并不理想。其主要原因是該芯片是按北美地區(qū)的電網(wǎng)特性和頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。而PLT-22主要針對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計(jì)，采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯(cuò)及糾錯(cuò)技術(shù)，所以目前在我國(guó)應(yīng)用效果最理想。但它是Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，而且價(jià)格太高，難以在民用市場(chǎng)大規(guī)模推廣。

   在該系統(tǒng)中我們選擇由北京智源利和微電子技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的電力線載波調(diào)制芯片SC1128，該芯片專門針對(duì)中國(guó)低壓電網(wǎng)特性而設(shè)計(jì)，是一款適合中國(guó)低壓電網(wǎng)特性的數(shù)據(jù)傳輸專用芯片。該芯片采用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)模混合專用電路，應(yīng)用先進(jìn)的擴(kuò)頻通信技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)，是面向低壓電力線低速率通信市場(chǎng)需要的專用擴(kuò)頻modem芯片。相對(duì)前面介紹的兩款芯片，SC1128價(jià)位較低，可以為民用市場(chǎng)所接受。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，該芯片應(yīng)用在電力線通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。其電路內(nèi)部集成了擴(kuò)頻器、DAC和ADC、輸出驅(qū)動(dòng)器、輸入信號(hào)放大器、工作電壓檢測(cè)器、看門狗電路、串/并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統(tǒng)應(yīng)用中可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。其發(fā)射信號(hào)以兩種形式輸出：一種是經(jīng)DAC后從正弦緩沖器輸出，諧波成分少；另一種從高壓開(kāi)漏緩沖器輸出。該芯片含有的輸入信號(hào)放大器可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前置放大；內(nèi)置看門狗電路監(jiān)視系統(tǒng)程序的工作狀態(tài)；內(nèi)置電壓監(jiān)測(cè)器可監(jiān)測(cè)電源電壓的變化，并及時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；內(nèi)置電子表電路（24小時(shí)制）可滿足不同時(shí)間段計(jì)費(fèi)率的要求（支持掉電工作）；內(nèi)置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與MCU之間的控制命令和數(shù)據(jù)交換；采用63位擴(kuò)頻碼，數(shù)據(jù)速率典型值為6.0kb/s（最大20kb/s）；捕獲門限值200～6290，由軟件設(shè)定；內(nèi)置64×8 SRAM存儲(chǔ)器（支持掉電工作），為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)暫存。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

   本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括電力線耦合部分、信號(hào)接收電路部分、信號(hào)發(fā)射電路部分、電力線信號(hào)調(diào)制/解調(diào)部分、單片機(jī)控制部分及數(shù)字信號(hào)接口部分(包括鍵控接口和串行通信接口)。硬件結(jié)構(gòu)框圖和電路圖如圖1、圖2所示。

圖1 電力載波通信控制終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 電力載波通信控制終端硬件電路圖

 2 耦合電路部分設(shè)計(jì)

   耦合電路是載波信號(hào)的輸出和輸入通路，并起隔離220V/50Hz工頻的作用。該電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電力線路側(cè)的阻抗特性，圖2中T5為信號(hào)耦合變壓器，電力線路側(cè)阻抗一般取3～30Ω。然后確定線圈初次級(jí)的匝數(shù)比或阻抗比，本設(shè)計(jì)取12/21，最后設(shè)計(jì)功率放大器的輸出匹配電阻。輸入通道接一個(gè)浪涌保護(hù)二極管TVS，經(jīng)電阻隔離后接二極管鉗位電路輸出給接收電路部分的前級(jí)濾波器。變壓器T5實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高（100～400kHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號(hào)暢通無(wú)阻，而能夠隔斷高壓。電容C8阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻R5取值可稍大些，本設(shè)計(jì)中取1MΩ，作用是在離線時(shí)使電容放電，防止在設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。TVS是瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設(shè)計(jì)的。電力線上的設(shè)備接入或者是斷開(kāi)，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護(hù)措施是至關(guān)重要的。除了電力線上會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí)，如果電力線剛好處于電壓的最大值，而此時(shí)電容上的電壓為0，會(huì)有300V（220V有效值，最大值311V）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級(jí)產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管無(wú)法消除這個(gè)脈沖。壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的1μs之內(nèi)仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實(shí)驗(yàn)表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。但是它的電流雖然很大，能量卻不是很大。采用瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時(shí)間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達(dá)1500W?？梢院?jiǎn)單地把它看作一個(gè)具有強(qiáng)大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管，但它的動(dòng)態(tài)電阻比較大，所以還需要D1和D2這兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)一步把電壓鉗位在電源電壓左右。

3 信號(hào)接收部分電路設(shè)計(jì)

   信號(hào)接收部分設(shè)計(jì)包括前級(jí)濾波器設(shè)計(jì)與增益放大器設(shè)計(jì)。濾波器為帶通濾波器。其作用一方面將帶外雜波濾除，另一方面保證前后級(jí)之間的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞信號(hào)的目的。由于主晶振的工作頻率不同，載頻也不同；調(diào)制周波數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率不同，帶寬也不同。因此，濾波器的參數(shù)在主晶振頻率不同時(shí)也將有所變化的。這部分電路設(shè)計(jì)值與本終端適應(yīng)，數(shù)據(jù)速率1kb/s、四周波調(diào)制、250kHz載頻，帶寬為100kHz（200～300kHz）。這部分增益放大的目的是將濾波后的信號(hào)不失真的放大75倍以上，以達(dá)到本級(jí)增益30dB以上的要求。需特別注意小信號(hào)的不失真。

4 信號(hào)發(fā)射電路部分設(shè)計(jì)

   信號(hào)發(fā)射部分主要為功率放大電路設(shè)計(jì)。此級(jí)功率放大是將SC1128第24腳的高壓開(kāi)漏輸出轉(zhuǎn)換成功率輸出。該腳輸出時(shí)應(yīng)接一個(gè)不小于1kΩ的上拉電阻，其灌入電流不要超過(guò)4mA，并有不低于3V峰-峰的信號(hào)電壓輸出。功率放大器本身工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于正常地發(fā)射時(shí)間很短，所以在選擇三極管參數(shù)時(shí)應(yīng)該注意其功率參數(shù)(測(cè)試時(shí)應(yīng)注意工作時(shí)間不能太長(zhǎng)，以避免損壞功率放大器的輸出三極管，整板測(cè)試時(shí)可以串一個(gè)電阻，不過(guò)此時(shí)輸出波形和功率將受影響)。

5 SC1128與微控制器接口

   系統(tǒng)微控制器采用W77E58,它是中國(guó)臺(tái)灣的華幫電子公司（WinBond）推出的高速、高集成、增強(qiáng)型MCS-51系列高性能單片機(jī)，是一個(gè)快速、高性能、功能豐富、高集成度的8位8051兼容微控制器，適合各種智能控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。SC1128的第28腳為電路二分之一主晶振輸出（其峰-峰值約為4V），近似正弦波，該系統(tǒng)中主晶振為16MHz，且單片機(jī)晶振由28腳引入，即單片機(jī)晶振頻率8MHz；32腳為電壓監(jiān)測(cè)端，該端需接5kΩ上拉電阻與5V電源相接；33腳為看門狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出1/3占空比的復(fù)位脈沖；35腳為電源報(bào)警輸出端，與32腳電源監(jiān)測(cè)輸入端配合使用，當(dāng)電源監(jiān)測(cè)輸入端監(jiān)測(cè)到的電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出為低電平。當(dāng)電源監(jiān)測(cè)輸入端監(jiān)測(cè)到的電源信號(hào)高于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出為高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端,使SC1128芯片與單片機(jī)信號(hào)同步；41腳為片選輸入端,低電平芯片使能，為保證芯片正常工作，在設(shè)計(jì)中將其接5.1kΩ上拉電阻。數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下：發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置高，SCl128芯片發(fā)出同步頭（37腳），單片機(jī)通過(guò)TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)；接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置低，SCl128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步頭，通過(guò)TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。SC1128與W77E58的連接如圖3所示。

圖3 SC1128與W77E58連接圖

軟件結(jié)構(gòu)及SC1128芯片參數(shù)設(shè)置

   該系統(tǒng)軟件流程如圖4所示,其中對(duì)SC1128芯片參數(shù)設(shè)置是程序關(guān)鍵部分，直接決定系統(tǒng)通信的信號(hào)收發(fā)過(guò)程及通信速率。

圖4 軟件流程圖

   微控制器對(duì)SC1128芯片的設(shè)置是通過(guò)該芯片CS端（設(shè)置片選輸入端）、SETCLK（同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端）和LINE（設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入／輸出端）三端進(jìn)行的。芯片設(shè)置（讀或?qū)懀┎捎媒y(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，即每次讀或?qū)懚际怯?字節(jié)（控制字和數(shù)據(jù)位）完成的，其格式說(shuō)明如圖5所示。

圖5 SC1128芯片設(shè)置數(shù)據(jù)格式

   單片機(jī)對(duì)電路設(shè)置（讀或?qū)懀r(shí)要向電路的CS端給出低電平，再由SETCLK端向電路發(fā)出同步脈沖，在同步脈沖的控制下首先向LINE端串行給出8位控制字，即先由高到底分別給出6位（A5～A0）地址，再給出讀／寫控制位（第七位）和空操作位（第八位）；然后再給出8位數(shù)據(jù)。特別要注意的是LINE端為雙向端口，當(dāng)MCU給出的8位控制字中的第七位（讀／寫控制位）為0（讀操作）時(shí)，電路將在SETCLK的第七個(gè)脈沖的下降沿把LINE端由輸入狀態(tài)變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，因此MCU在對(duì)電路進(jìn)行讀操作時(shí)一定要在SETCLK的第七個(gè)脈沖的下降沿之前將MCU端的輸出（與電路的LINE相對(duì)應(yīng)的端子）狀態(tài)改為輸入狀態(tài)。

    由于控制字的地址A5～A0只有6位，因此可尋址范圍是64。SC1128芯片電路內(nèi)部實(shí)際上只有60X8位SRAM，其地址范圍000000～111011。另4字節(jié)分別是保留寄存器、工作狀態(tài)寄存器、內(nèi)部電子表的低8位和高8位。對(duì)電路內(nèi)部60X8位SRAM的讀寫操作同樣是按照?qǐng)D5的格式先給出地址再給出讀或?qū)懖僮魑缓涂詹僮?，最后給出寫入SRAM的數(shù)據(jù)或讀出SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)。SRAM支持掉電工作方式，若系統(tǒng)出現(xiàn)掉電情況則在芯片VDDT電源端的維持下可以保持SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)不丟失。因此可為小型應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)暫存，避免系統(tǒng)意外掉電而丟失一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其中地址為111101工作狀態(tài)寄存器的每一位分別控制著電路不同的工作狀態(tài)，具體格式如圖6所示。

圖6 工作狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)格式

   對(duì)工作狀態(tài)寄存器的設(shè)置可以得到多種工作狀態(tài)。如通信速率快慢和捕獲門限的大小。工作狀態(tài)寄存器的S1和S0是控制通信速率快慢的，由這兩位可以選擇不同通信速率值。工作狀態(tài)寄存器的D4～D0是控制捕獲門限設(shè)置值的。在使用中可根據(jù)通信環(huán)境的實(shí)際情況來(lái)選擇不同的捕獲門限值以達(dá)到比較好的通信效果。在設(shè)置捕獲門限值時(shí)要特別注意與通信速率值的配合，否則將因?yàn)樵O(shè)置的捕獲門限值過(guò)大而出現(xiàn)無(wú)法同步的結(jié)果。

通信測(cè)試

   實(shí)際通信測(cè)試系統(tǒng)包括一對(duì)結(jié)構(gòu)完全相同的信號(hào)發(fā)送板和信號(hào)接收板，通過(guò)220V低壓電力線相連,兩板連接時(shí)零線與零線接,火線與火線接。發(fā)送板通過(guò)板上按鍵開(kāi)關(guān)或串行口發(fā)送不同控制數(shù)據(jù),控制接收板LED顯示不同數(shù)據(jù)或通過(guò)串口讀出所發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)室檢測(cè)該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正確的通信功能。在實(shí)際應(yīng)用中要注意發(fā)收雙方的通信速率一致，即周波數(shù)要一致，另外門限值只對(duì)接收一方有意義，門限值的高低將影響到通信的誤碼率，但并非是門限越高就一定越好。要根椐通信情況和相應(yīng)的速率適當(dāng)選擇。