利用數(shù)字信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的PLC通信

電力線通信(PLC)可以利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施提供低成本的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字信號(hào)控制器為PLC網(wǎng)絡(luò)提供維持穩(wěn)健信號(hào)所需的高級(jí)處理性能，其運(yùn)行開銷和片上外設(shè)可進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。下文將對此作進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在環(huán)境非常惡劣的工廠或室外經(jīng)常能見到照明、測量和其他控制應(yīng)用，但在這些地方的網(wǎng)絡(luò)通信若不采取常規(guī)方法則變得異常困難。因?yàn)閻毫拥沫h(huán)境不僅對信號(hào)有相當(dāng)大的干擾，而且在許多情況下，如果還沒有專用通信布線的話，安裝費(fèi)用也非常昂貴。因此，建立控制網(wǎng)絡(luò)通信的最佳介質(zhì)將是無處不在的電力線。

PLC是各種網(wǎng)絡(luò)工業(yè)、公共事業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的理想解決方案。然而為了達(dá)到較高的效率，PLC必須具備成本效益和穩(wěn)健性。而要實(shí)現(xiàn)這些性能，系統(tǒng)開發(fā)人員可以借助于數(shù)字信號(hào)控制器所提供的強(qiáng)大性能和集成度。

與使用專用傳輸線的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，PLC網(wǎng)絡(luò)可以通過現(xiàn)有的低壓、中壓和高壓電力線在數(shù)公里范圍內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)?；诟咝阅軘?shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)的數(shù)字信號(hào)控制器可在惡劣環(huán)境中的全規(guī)模網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)可靠的PLC吞吐量，使其能夠監(jiān)控所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

高度集成的控制器還能降低系統(tǒng)成本和易于適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)需求。在工廠、公共事業(yè)分布系統(tǒng)、辦公建筑群、礦山、海底電纜和其他惡劣環(huán)境中，數(shù)字信號(hào)控制器都可以在實(shí)時(shí)監(jiān)控所需速率下支持高效的PLC傳輸。

單芯片modem和應(yīng)用軟件

在許多監(jiān)控應(yīng)用中，成本是首要考慮因素，因此這時(shí)系統(tǒng)的集成度越高越好。PLC系統(tǒng)功能可以被分成三部分：模擬前端(AFE)、調(diào)制解調(diào)器(modem)以及測量或控制應(yīng)用軟件。AFE主要用于接收和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)從電力信號(hào)中分離出來；modem則使用特定的頻率和鍵控技術(shù)對通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。雖然很多設(shè)計(jì)方案中的modem和應(yīng)用軟件采用不同的控制器，但數(shù)字信號(hào)控制器帶給PLC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要好處是其可以在單個(gè)器件中集成modem和應(yīng)用軟件。

位于數(shù)字信號(hào)控制器核心的DSP可提供比價(jià)格相當(dāng)?shù)腞ISC MCU強(qiáng)得多的運(yùn)算性能，這些性能足以用來執(zhí)行modem和應(yīng)用軟件。另外，片上外設(shè)是針對控制需求特別選取的，其提供的是一種系統(tǒng)解決方案。數(shù)字信號(hào)控制器的性能和集成度可以減少元件使用數(shù)量和電路板空間，這對諸如可調(diào)光照明鎮(zhèn)流器、電子表和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等成本敏感的應(yīng)用非常有利。另外，DSP的可編程性使得系統(tǒng)能更好地適應(yīng)環(huán)境干擾，從而提高傳輸?shù)目煽啃?，而DSP的額外MIPS性能還可以用來增加功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)裙δ?，從而使終端產(chǎn)品具有更高的能效。

穩(wěn)健的通信

由于典型的PLC使用環(huán)境比較惡劣，因此傳輸必須高度穩(wěn)健。在多種能傳送位的物理層調(diào)制方案中，有兩種特別適合工業(yè)監(jiān)視和控制的方案，即頻移鍵控(FSK)和二元相移鍵控(BPSK)。由于該兩種方案都不依賴電力信號(hào)作為載波，因此可以用在任何頻率、任何電壓值的AC和DC電力線上。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)的供電中斷時(shí)，只要控制通信電路的獨(dú)立供電不間斷，F(xiàn)SK和BPSK還能照常工作。

FSK采用兩個(gè)不同的頻率發(fā)送信號(hào)，電平“1”時(shí)用74kHz，電平“0”時(shí)用63.3kHz；而BPSK則采用相同頻率發(fā)送“1”和“0”，其相位差為180度。監(jiān)控通信常用標(biāo)準(zhǔn)是CEA179，其指定BPSK發(fā)送頻率為131.5kHz，波特率是5.5kbps或每個(gè)碼元24個(gè)周期。雖然CEA-179沒有對FSK加以規(guī)范，但它完全兼容該標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，因此也可以使用CEA-179進(jìn)行傳輸。在滿足系統(tǒng)限制的前提下，數(shù)字信號(hào)控制器可以通過改變傳輸頻率來避開干擾，從而提高通信性能。

圖1是專為可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)的CEA-179數(shù)據(jù)包格式。該數(shù)據(jù)包和位的邊界是用于位同步的24位向量，后面是指示數(shù)據(jù)起始位的11位字同步信號(hào)。發(fā)送器將每8位指令編碼成一個(gè)11位的字，在接收器側(cè)再將其解碼并移位至存儲(chǔ)器緩存。在PLC中，指令數(shù)據(jù)還增加了16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)，EOP則使用重復(fù)的11位字進(jìn)行識(shí)別。因此，CEA-179協(xié)議與BPSK和FSK的結(jié)合可確保穩(wěn)健的PLC傳輸，并能為多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制提供足夠的帶寬。

 

圖1：CEA-179數(shù)據(jù)包格式。

PLC設(shè)計(jì)

下面給出了使用數(shù)字信號(hào)控制器直接實(shí)現(xiàn)PLC的設(shè)計(jì)實(shí)例。圖2是用于諸如可調(diào)光鎮(zhèn)流器等應(yīng)用的AC環(huán)境下的PLC通信與控制系統(tǒng)框圖。AFE接收器-發(fā)送器位于圖的左邊，modem和應(yīng)用軟件算法運(yùn)行在中間的控制器上，右邊則包含了應(yīng)用電路。例如在一個(gè)電流解決方案中，一個(gè)測量芯片與C2000相連。測量芯片執(zhí)行測量功能，C2000使用PLC發(fā)送測量數(shù)據(jù)。雖然本文重點(diǎn)放在FSK調(diào)制方面，但相同設(shè)計(jì)經(jīng)過AFE和控制算法方面的少許修改也可以用于BPSK。



圖2：PLC系統(tǒng)框圖。

上述設(shè)計(jì)中使用的數(shù)字信號(hào)控制器是一個(gè)帶DSP內(nèi)核的器件，該內(nèi)核工作在100MHz時(shí)可提供100MIPS的性能。在一個(gè)普通應(yīng)用中，約45MIPS用于modem，余下約55MIPS可用來運(yùn)行應(yīng)用軟件。在34KB片上閃存和一次性可編程存儲(chǔ)器中，12KB用于modem代碼；12KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的5KB用于modem；其余的存儲(chǔ)器空間則全部用于應(yīng)用軟件?？刂破鬟€提供6個(gè)帶獨(dú)立定時(shí)器的脈寬調(diào)制(PWM)輸出，可用于modem和應(yīng)用軟件的信令傳輸。12位ADC使用單通道對所接收的信號(hào)進(jìn)行采樣，剩余的15個(gè)通道則處于空閑狀態(tài)。數(shù)字信號(hào)控制器還提供了SPI和SCI接口用于本地通信，另外還有30多個(gè)通用I/O通道。