基于PL3200的CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計

    摘要：介紹CDMA擴(kuò)頻通信的基本原理、PI~3200型SoC的結(jié)構(gòu)及其載波通信功能模塊，提出一種基于P13200的CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計方案。

    關(guān)鍵詞：CDMA擴(kuò)頻通信；PL3200型單片系統(tǒng)；電力線載波通信系統(tǒng)； 設(shè)計方案

1 引言

電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。廣泛用于電力管理系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能化小區(qū)等領(lǐng)域。利用電力線作為通信媒介，無需另外架設(shè)通信線路，也不占用現(xiàn)有的頻譜資源。但在電力線上進(jìn)行信號傳輸，信號衰減大、噪聲干擾大，使得電力線載波通信的應(yīng)用受到了限制，必須采用多種技術(shù)措施改善通信質(zhì)量。目前，最有發(fā)展前景的解決方案是采用技術(shù)先進(jìn)的CDMA擴(kuò)頻通信技術(shù)。

2 CDMA擴(kuò)頻通信

CDMA(碼分多址)包含二個基本技術(shù)：一個是碼分技術(shù)，另一個是多址技術(shù)。

2.1CDMA中的碼分技術(shù)

碼分技術(shù)的基礎(chǔ)是擴(kuò)頻技術(shù)，其目的是解決強(qiáng)干擾下的通信。由香農(nóng)定理可知，在信號傳輸速率一定的前提下，增加帶寬可以降低對信噪比的要求。擴(kuò)頻通信正是利用這一原理，用寬帶傳輸技術(shù)來獲得低的信噪比。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)大幾百倍，在相同信噪比的條件下，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。CDMA中最常用的擴(kuò)頻形式是用一個偽隨機(jī)碼序列與窄帶：PSK信號相乘。這樣，有用信號經(jīng)擴(kuò)頻處理后，頻譜被展寬了。

2.2CDMA中的多址技術(shù)

所謂碼分多址，是指利用擴(kuò)頻時使用的一組正交(或準(zhǔn)正交)的偽隨機(jī)碼序列(地址碼)來實(shí)現(xiàn)多個信號同時入網(wǎng)接續(xù)的要求。在接收端，利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)性進(jìn)行解擴(kuò)，有用信號被恢復(fù)至窄帶譜。寬帶無用信號與本地偽隨機(jī)碼不相關(guān)，不能解擴(kuò)，仍為寬帶譜；窄帶無用信號被本地偽隨機(jī)碼擴(kuò)展成寬帶譜。這樣，只有有用信號才被壓縮、識別和提取出來。

在本系統(tǒng)中，通過采用PL3200型SoC。將CDMA擴(kuò)頻通信應(yīng)用到電力線載波通信系統(tǒng)。

3 PL3200型單片系統(tǒng)

3.1 PL3200的結(jié)構(gòu)

PL3200是福星曉程公司開發(fā)的單芯片系統(tǒng)(SoC)。該系統(tǒng)采用5V單電源供電，內(nèi)嵌8051型增強(qiáng)性高速微處理器及直序擴(kuò)頻碼分多址載波通信模塊．具有成本低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠高效地應(yīng)用于電力線通信領(lǐng)域。圖1示出PL3200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

PL3200內(nèi)嵌8／16位高性能、低功耗微處理器兼容內(nèi)核ALU，同等主頻情況下，8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051型微處理器．?dāng)?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。配置了256B+1KB SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器)、16KB。E2PROM(電可擦除／可編程存儲器)及3個外部中斷，為用戶提供豐富的嵌入式資源和理想的應(yīng)用開發(fā)平臺。另外，該系統(tǒng)還具有二個全雙工UART(通用異步收發(fā)器)，一個可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個可配置為RS-485通信模式。

針對智能儀表的應(yīng)用要求，PL3200內(nèi)置高精度電能計量電路、LCD/LED顯示控制／驅(qū)動電路、實(shí)時鐘及溫度傳感器。內(nèi)置串行程序存儲器編程接口，支持在系統(tǒng)編程(ISP)。同時集成了完善的電壓監(jiān)測，上電、掉電復(fù)位和看門狗電路，確保工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行時系統(tǒng)的可靠性。

3.2通信模塊的工作原理

PL3200的載波通信模塊采用直接序列擴(kuò)頻通信方式，采用多地址通信技術(shù)將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展到較寬的頻帶上。PL3200對擴(kuò)頻數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制方式，其載波中心頻率為120kHz。由于該系統(tǒng)采用Gold／Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)40個，其中有32個Gold序列。8個Kasami序列。

    PL3200在接收端用同樣的偽碼序列來恢復(fù)信息。接收過程包括載波信號的捕獲和同步。捕獲是接收模塊在擴(kuò)頻序列精確同步前搜索接收信號，使接收信號的擴(kuò)頻序列與本地擴(kuò)頻序列在相位上進(jìn)入可同步保持的范圍，即二者的相位在一個擴(kuò)頻序列碼元之內(nèi)。捕獲完成后進(jìn)入跟蹤階段，使本地偽碼能夠自動接收到信號的偽隨機(jī)碼保持精確同步。跟蹤電路采用全數(shù)字基帶延遲鎖定環(huán)。

PL3200載波通信單元的具體設(shè)定是通過對載波通信寄存器組不同地址的寄存器寫入對應(yīng)的控制字來實(shí)現(xiàn)的。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來指示載波通信單元處于收態(tài)還是發(fā)態(tài)，以及數(shù)據(jù)和幀頭的接收發(fā)送標(biāo)志；02H、03H的寄存器可設(shè)置選擇偽碼的種類、地址選擇位和速率等；04H的寄存器用來設(shè)置本地與接收到的偽碼序列相位同步的捕獲門限值；05H的寄存器用于設(shè)定本地與發(fā)送端偽碼序列相位同步的精確同步門限值。

4 CDMA擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)

4.1通信系統(tǒng)的組成

本文基于PL3200設(shè)計了CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)，具體組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)由主機(jī)A(或主機(jī)B)的串口RS-232發(fā)出，通過PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送入PL3200。在PL3200中，先由擴(kuò)展串口UART(通用異步收發(fā)器)接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對數(shù)據(jù)進(jìn)行CDMA直接序列擴(kuò)頻．?dāng)U頻后的信號經(jīng)120kHz的載波頻率調(diào)制后輸出。此信號通過電力線接口電路進(jìn)行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線上，實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。在接收端．經(jīng)過電力線接口電路將電力線上的信號耦合出來并對信號進(jìn)行濾波限幅。限幅后的信號送入PL3200進(jìn)行捕獲、同步及解擴(kuò)處理，經(jīng)由內(nèi)嵌8051處理．由PL3200的UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，由PC的RS-232接口送到主機(jī)B(或主機(jī)A)。

    4.2 PC接口電路

本文主機(jī)A、B都采用PC。PL3200帶有1個RS-485串行口，而PC一般只有2個RS-232串行口。為了實(shí)現(xiàn)普通PC與PL3200的連接，本文設(shè)計了一個接口電路，如圖3所示。圖中，MAX232是+5V電源的收發(fā)器，與計算機(jī)串口連接，實(shí)現(xiàn)RS-232接口信號和TTL，信號的電平轉(zhuǎn)換。MAX485用來實(shí)現(xiàn)TTL與RS-485的電平轉(zhuǎn)換。也可以采用工業(yè)控制計算機(jī)作為主機(jī)。工業(yè)控制計算機(jī)本身帶有RS-485接口，可直接與PL3200連接，但工業(yè)控制計算機(jī)的價格要比普通PC高得多。

4.3電力線載波接口電路

實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效電力線載波通信的關(guān)鍵，除了所選用的載波調(diào)制解調(diào)器外，還有相應(yīng)的電力線載波接口電路。本文電力線載波接口電路將PL3200的載波調(diào)制解調(diào)與電力線耦合，實(shí)現(xiàn)載波信號在電力線上的傳輸。電力線接口電路包括發(fā)送部分、載波耦合部分和接收部分，如圖4所示。

(1)發(fā)送部分

發(fā)送部分對PL3200輸出的載波調(diào)制信號進(jìn)行功率放大，濾除摻雜在信號中的噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率傳輸?shù)降蛪弘娏€上。圖4中，T1、T2構(gòu)成NPN型復(fù)合管，T3、T4構(gòu)成PNP型復(fù)合管，從而組成互補(bǔ)對稱功率放大電路。其中，T2、T4采用同一型號的大功率管，以實(shí)現(xiàn)二者的特性曲線對稱。PL3200產(chǎn)生的載波信號由P1.7輸出，經(jīng)功率放大電路放大后，含有諧波。系統(tǒng)主要的傳輸干擾頻率是發(fā)送信號的二次諧波和三次諧波(PL3200的載波中心頻率為120kHz，二次諧波和三次諧波分別為240k。Hz和360kHz)，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。電容器C4和電感器L2組成的帶通濾波電路對發(fā)送的載波信號進(jìn)行整形濾波。

(2)載波耦合部分

當(dāng)PL3200處于發(fā)送狀態(tài)時，載波耦合部分將PL3200產(chǎn)生的擴(kuò)頻調(diào)制信號耦合到低壓電力線上：當(dāng)PL3200處于接收狀態(tài)時，載波耦合部分將低壓電力線上的載波信號耦合過來，由SICIN腳送入PL3200。載波耦合部分由變壓器T、電容器C5和電感器L3組成。變壓器T選用1：1的隔離變壓器。電容器C5將變壓器與電力線隔離．過濾電力線上的50Hz的信號，這樣就會阻止低頻信號進(jìn)入電路而使某些高頻信號通過。萬一電容器C5因短路而失去過濾50Hz信號的能力，接口電路就會被損壞。故C5要選用具有短路保護(hù)功能的X2型電容器。電容器C5和電感器L3還組成帶通濾波器，對載波信號進(jìn)一步濾波。

(3)接收部分

接收電路濾除來自電網(wǎng)中的噪聲，這些噪聲會降低PL3200的解調(diào)功能。對于接收電路，選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因?yàn)橛性礊V波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當(dāng)?shù)陌自肼?。本系統(tǒng)選用無源帶通濾波器(由C3、L1和R7組成)，采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C3和電感器L1的值決定，設(shè)計為120kHz。

為了避免低壓電力線上的尖峰信號對接口電路的破壞，可用雙向穩(wěn)壓管保護(hù)。當(dāng)接收信號電壓值等于或大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管將接收信號的電位箝制在穩(wěn)壓值，從而保證接口電路不會被燒壞。一般，火線與零線問的干擾為差模干擾；火線與地線。零線與地線間的干擾為共模干擾。采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用；當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個二極管D3、D4和D5連成星形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。對于差模尖峰信號，D3和D4構(gòu)成一個雙向穩(wěn)壓管；對于共模尖峰信號，這種星形結(jié)構(gòu)相當(dāng)于2個雙向穩(wěn)壓管（D3和D5，D4和D5)。

5 載波通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的載波通信為總線方式通信，載波單元的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)，對不同的載波模塊可分配不同的通信地址。模塊接收到校驗(yàn)正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答。載波通信速率相對于主頻低很多，為了提高CPU效率，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均設(shè)計為中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對數(shù)據(jù)接收或發(fā)送的操作。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計的CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)，由于選用PL3200充當(dāng)通信電路，因而具有很好的抗干擾性能。在對接口電路的設(shè)計中，根據(jù)實(shí)際線路的情況，選擇合適的電容器和電感等元件，選用性能更佳的功率放大電路。便可達(dá)到低成本、遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量的通信效果。