基于低壓電力線的智能載波模塊的方案設(shè)計(jì)

1 引言

    低壓電力線載波通信（Power Line Communication）是指利用已有的低壓電力線網(wǎng)絡(luò)作 為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)[1]。低壓電力線載波通信這種傳輸信道分 布廣泛、無需另建、即插即用、移動(dòng)方便的特點(diǎn)對于滿足人們的需求具有很強(qiáng)的吸引力， 該技術(shù)現(xiàn)在正日益引起人們的關(guān)注。
    在中國，即使歐美國家成熟的低壓電力線通信產(chǎn)品在我國的使用效果卻很不理想，甚 至不能使用。因此，低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)目的就是研制一種性價(jià)比較高的載波 通信模塊，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定和長距離的傳輸。

2 低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)

   2.1 整體設(shè)計(jì)方案
    低壓電力線智能載波模塊的主要功能是：外部控制系統(tǒng)把要傳送的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART、I2C 或SPI 串行接口傳送給P89LPC932，再通過微控制器和調(diào)制電路部分把數(shù)據(jù)調(diào) 制到低壓電力線上；同時(shí)，把低壓電力線上所調(diào)制的數(shù)據(jù)通過解調(diào)電路部分解調(diào)出來并通 過P89LPC932 標(biāo)準(zhǔn)的UART、I2C 或SPI 串行接口把低壓電力線上的數(shù)據(jù)傳送給外部控制 系統(tǒng)以進(jìn)行相應(yīng)的處理。其模塊整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示[2]。該設(shè)計(jì)以PHILIPS 公司生產(chǎn) 的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 為控制器，以性價(jià)比高的模擬、數(shù)字電子器件和一些電容電 阻構(gòu)成相位檢測電路和調(diào)制解調(diào)電路。

    2.2 相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理
    相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理[3-4]就是在正弦低壓電力線每個(gè)周期的固定相位處加一瞬時(shí)的 零脈沖信號。當(dāng)在正弦交流電一個(gè)周期中調(diào)制信號的時(shí)候，在固定相位點(diǎn)就會產(chǎn)生一個(gè)瞬 時(shí)零脈沖。當(dāng)正弦交流電一個(gè)周期中沒有調(diào)制信號的時(shí)候，不出現(xiàn)瞬時(shí)零脈沖，因此，用 有沒有瞬時(shí)零脈沖來識別低壓電力線上載有的“1”、“0”信號。
    2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

   2.3.1 微控制器的選型
    本設(shè)計(jì)中選擇 PHILIPS 公司生產(chǎn)的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 微控制器[5]，P89LPC932 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合。其主要的特性有： 在同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件的6 倍，只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達(dá)到同 樣的性能，降低了功耗和EMI；增強(qiáng)型UART，400kHz 字節(jié)方式I2C 通信端口，SPI 通信 端口；可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC 振蕩器選項(xiàng)；可編程的I/O 口輸出模式：準(zhǔn) 雙向口，開漏輸出，推挽和僅為輸入功能。

    2.3.2 相位檢測電路的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的相位檢測電路，即是在正弦交流電固定的相位點(diǎn)，使相位檢測電路產(chǎn) 生具有一定占空比的方波信號，由此方波給P89LPC932 提供50Hz 的外部中斷信號，相位 檢測電路硬件原理圖如圖2 所示：

    3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    本軟件采用模塊化,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案。主程序負(fù)責(zé)各功能寄存器初始化、等待發(fā)送數(shù)據(jù) 等功能。中斷處理程序負(fù)責(zé)接受外部輸入的數(shù)據(jù)、通過電力線發(fā)送和接受數(shù)據(jù)等功能。
    3.1 改進(jìn)的Modbus協(xié)議介紹
    軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)是低壓電力線智能載波模塊通訊協(xié)議的制定。在本設(shè)計(jì)中，采用 改進(jìn)的Modbus協(xié)議。其是由Modbus協(xié)議的ASCII傳輸模式和RTU傳輸模式融合改進(jìn)而來。 此協(xié)議實(shí)現(xiàn)主載波模塊對從載波模塊的讀和寫操作。其幀格式分別如下：
    3.1 載波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的軟件設(shè)計(jì)
    載波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是在在微控制器P89LPC932外部中斷子程序中實(shí)現(xiàn)的。其程序流程圖如5所示：

    4 結(jié) 論

   本文詳細(xì)的介紹了一款自主研究與設(shè)計(jì)的基于低壓電力線的智能載波模塊，通過數(shù)字示波器的實(shí)際測試及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的現(xiàn)場調(diào)試，本設(shè)計(jì)能夠可靠的通過低壓電力線傳送數(shù)據(jù)，傳輸距離1000m 左右，傳送距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，可以廣泛的運(yùn)用于電力線抄表、路燈控制、樓宇自動(dòng)化等多種場合

    圖中，N 點(diǎn)接220V 交流電的零線，A 點(diǎn)接220V 交流電的火線，同時(shí)作為系統(tǒng)的模擬 地COM 端。R3 和R4 通過串聯(lián)接法構(gòu)成通路，由分壓公式可知，B 點(diǎn)的電壓為6V。即電 壓比較器U3A 的反向輸入端被鉗位于6V，N 點(diǎn)和A 點(diǎn)通過電阻R1，R2 和電容C1 也形成 回路，由電路原理可知，在電壓比較器U3A 的同向輸入端處形成和工頻交流電同頻率但幅 值降低的正弦交流電，當(dāng)電壓比較器U3A 的同向輸入端電壓高于反向輸入端電壓6V 時(shí)， 電壓比較器U3A 的輸出端輸出10V 的高電平信號，當(dāng)電壓比較器U3A 的同向輸入端電壓 低于反向輸入端電壓6V 時(shí)，電壓比較器U3A 的輸出端輸出0V 的低電平信號。因此，得到一定占空比的方波信號，作為P89LPC932 的外部中斷輸入信號。經(jīng)計(jì)算可知，方波信號高 電平持續(xù)的時(shí)間為12ms，低電平持續(xù)的時(shí)間為8ms。
    2.3.2 信號調(diào)制電路的設(shè)計(jì)
    信號調(diào)制電路的功能主要是在 P89LPC932 接受到外部中斷輸入信號后，完成微控制器 所發(fā)送數(shù)據(jù)在低壓電力線上的調(diào)制工作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上的傳送。信號調(diào)制電路 硬件原理圖如圖3 所示。

    圖中，E 點(diǎn)是P89LPC932 進(jìn)行信號調(diào)制的數(shù)據(jù)輸入端，在傳輸一位數(shù)據(jù)“0”時(shí)，E 點(diǎn) 一直為幅值為10V 的高電平信號，此時(shí)，電壓比較器U2C 的兩個(gè)輸入端為高電平狀態(tài)，輸 出端為低電平狀態(tài)，大功率三極管T 的基極和發(fā)射極之間沒有電壓差，T 不導(dǎo)通，因而沒 有零脈沖信號調(diào)制到低壓電力線上；在傳輸一位數(shù)據(jù)“1”時(shí)，E 點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短 的低電平信號，（這個(gè)低電平信號的脈寬由R7、C4 和數(shù)據(jù)調(diào)制程序共同決定）。由于電容 C4 兩端的電壓不能突變，電壓比較器U2C 的兩個(gè)輸入端出現(xiàn)一個(gè)零脈沖信號，輸出端出現(xiàn) 一個(gè)脈寬相等幅值為10V 的脈沖信號，三極管T 基極和發(fā)射極之間出現(xiàn)電壓差，三極管T 導(dǎo)通，從而使正弦交流電的火線和零線瞬時(shí)導(dǎo)通，在電力線上出現(xiàn)一個(gè)零脈沖信號。
    2.3.2 信號解調(diào)電路的設(shè)計(jì)
    信號解調(diào)電路的功能主要是把低壓電力線上調(diào)制的信號從電力線上解調(diào)出來，發(fā)送給P89LPC932，供微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。其硬件原理圖如圖4 所示：

    圖中，N 點(diǎn)為低壓電力線的零線。電容C5 起到低頻濾波的作用。電力線上調(diào)制的信號從N 進(jìn)入解調(diào)電路。電阻R8、R9 構(gòu)成分壓電路，可知F 點(diǎn)電壓直流分量為：

設(shè)計(jì)中，選取適當(dāng)?shù)碾娮柚?，?3.7 FV = V 。電容C5 和電阻R9 也構(gòu)成分壓電路，使R9 兩端的正弦交流電電壓幅值小于3.7V。保證電力線上傳輸一位數(shù)據(jù)“0”時(shí)電壓比較器U3B 同向輸入端電壓一直高于反向輸入端電壓，G 點(diǎn)的輸出一直為零。當(dāng)電力線上傳輸一位數(shù)據(jù)“1”時(shí)，在正弦交流電6V 相位處出現(xiàn)零脈沖信號，因此在電壓比較器U3B 同向輸入端 將會瞬時(shí)產(chǎn)生一個(gè)幅值低于信號地的電壓脈沖，使得電壓比較器U3B 輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖 信號，經(jīng)與非門的反向在G 點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)幅值為10V 的脈沖信號，經(jīng)過光耦的隔離作用輸入 給微控制器。