1 電力線載波數(shù)傳模塊簡介
電力載波通信通過電力線載波數(shù)傳模塊將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸，然后再通過電力線載波數(shù)傳模塊，將高頻信號從電力線上分離出來傳送到終端設備。電力線載波數(shù)傳模塊在電力載波通信網絡中承擔著主機與節(jié)點、節(jié)點與節(jié)點間信息傳輸任務，起著運輸樞紐作用，具體如圖1所示。
電力線載波數(shù)傳模塊通常是指，利用現(xiàn)有電力載波芯片結合單片機(SCM)控制處理和外圍電路開發(fā)出來進行實際低壓電力載波數(shù)字通信的通信模塊。國內生產的某些芯片本身內嵌增強型8051微處理器，無需開發(fā)人員另外配置微處理器及外圍電路。電力線載波數(shù)傳模塊的設計內容通常包括電力線載波通信芯片的選擇、耦合電路以及載波芯片和SCM所需外圍電路等。電力線載波數(shù)傳模塊是PLC技術的實際應用，是電力線載波通信廣泛應用的硬件基礎。在整個電力線載波通信網絡系統(tǒng)中，必須依靠電力載波通信模塊來實現(xiàn)設備終端與數(shù)據(jù)采集器間的數(shù)據(jù)交換，具有廣泛的研究意義。
2 國內適用電力線載波Modem芯片介紹
國外對電力線載波通訊技術的研究較早、技術水平較為前沿，多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區(qū)電網(480 Y／277 V，208 Y／120 Vac)的標準頻率范圍100～450 kHz和針對歐洲地區(qū)電網(400 Y／230 Vac)的標準頻率范圍9~150 kHz。各公司在標準頻率范圍下，針對本地區(qū)電網特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波Modem芯片。由于國外電力線載波Modem芯片是針對本地區(qū)電網特性、電網結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡如人意。目前，在我
國一定應用領域可勉強使用的電力線載波Modem芯片有以下幾種：
(1)ST7536、ST7538、ST7540
ST7536是SGS一Thomson(ST)公司為電力線載波通訊而設計的專用Modem芯片，除有一般Modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。ST7536是較早的電力線載波Modem芯片之一，調制解調技術是FSK方式，3 bit容錯，它最高波特率為400 bsp。但它無CSMA(網絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域，ST7536是最適合的Modem芯片。但它的通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。ST7538是ST公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的半雙工、同步／異步FSK(調頻)單芯片電力線調制解調器芯片。與ST7536和ST7537相比，主要特點是：有8個工作頻段，可編程通信速率高達4 800 bps；提供過零檢測功能。
ST7540具有8個可編程發(fā)送頻率，即：60 kHz、66 kHz、72 kHz、76 kHz、82．05 kHz、86 kHz、110．kHz和132．5 kHz，可編程波特速率最高為4 800 B／s，接收靈敏度可達500 μV(rms)，同時具有UART／SPI主接口，采用單電源7．5~12．5 V工作，內部集成線路驅動器和5 V、3．3 V兩個線性調整器，電流高達50 mA，數(shù)字電壓為3．3 V或5．0 V，具有非常低的功耗，靜態(tài)電流5 mA。在控制方面，ST7540芯片工作通過內部寄存器控制和同步串行接口來編程。ST7540還具有看門狗定時器、時鐘輸出、輸出電壓和電流控制、載波或前同步檢測、可暫停工作和使用等功能，與前期的電力線收發(fā)芯片兼容，為用戶的使用帶來極大方便。
(2)SSCP200／300、INT5130、INT5IXl
SSCP200／300(Spread Spectrum Communication)是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術設計的電力線載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現(xiàn)代DSP技術、CSMA技術以及標準的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。InteHon公司2000年推出的Int5130芯片集，主要面向在電力線上實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)通信。INT5130與INT 1000收發(fā)器配合使用，采用OFDM技術，通信速率達到14Mbps，收發(fā)器的信噪比SNR為45～50 dB。
INT5lXl是Intellon公司采用OFDM技術研制的一塊理想的基于PLC寬帶接入的調制／解調芯片，它在4．3～20．9 MHz的頻帶范圍內共用84個載波，采用DBPSK／DQPSK調制原理，使其最高傳輸速率可達14 Mbps。作為一款電力包集成收發(fā)器，INT51X1能利用高頻特性惡劣的電力線來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數(shù)據(jù)處理功能及對外相關接口，因此使用時僅需進行簡單的初始化而不需復雜的編程，使用非常方便。
(3)PLT一22、PL3120、PL3150
美國Echelon公司的LonWorks電力載波芯片，采用窄帶BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，性能良好。以該芯片為核心的采集終端，可通過兩個電力線載波頻率進行雙向傳輸通信，能自動解決電力線通信能力惡化的問題，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行集中管理及儲存；電力線調制解調器通過網線與主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)資料的上傳以及系統(tǒng)的監(jiān)控等；主站系統(tǒng)又以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，提供各地區(qū)所有數(shù)據(jù)資料的集中管理，既能作為數(shù)據(jù)服務器，又能進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在我國應用效果很理想，但它是Lonworks網絡專用，而且價格太高，難以在民用市場領域大規(guī)模推廣。
(4)MAX2986
Maxim公司生產的電力線通信收發(fā)芯片，該芯片完全兼容于Homeplugl．0協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率高達14 Mbps，可以滿足寬帶通信的需求。MAX2986電力線收發(fā)器利用了當前最高發(fā)展水平的CMOS設計技術，提供更高的性能指標和靈活性。這款高度集成的芯片內包含了媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)。MAX2986數(shù)字基帶與配套器件MAX2980模擬前端(AFE)一起，利用了Maxim先進的OFDM電力線引擎，提供高達14 Mbps的自適應數(shù)據(jù)速率，可提供完整的高速電力線通信解決方案。該器件非常適合于以下應用：局域網(LAN)、音頻、語音、家庭自動化、工業(yè)自動化以及電力線寬帶(BPL)。
(5)HYT3101
針對電力線載波通信的困難，特別是我國電力線的特殊情況，深圳吳元設計了一款專用于電力線載波通信的芯片HYll3101。它具有以下特點來改進以往芯片存在的不足：(1)能承受比國際標準更加苛刻的條件和要求，具有卓越的點對點通信性能；(2)HYl3101內部的通信模塊按EIA709．1、EIA709．2以及EN50065—1等國際標準設計，和國際標準接軌，兼容性強；(3)HYT3101能夠實時監(jiān)測電網干擾和信號功率，能夠檢測節(jié)點所在相位，為系統(tǒng)的路由／中繼和系統(tǒng)的自適應提供了物理上的基礎，保證了整個系統(tǒng)拓撲結構的自動學習；(4)內嵌適合于現(xiàn)場網絡的通信協(xié)議棧，包括鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層和應用層等的上層通信協(xié)議，與EIA一709．1兼容。
(6)PL3105、PL3200
此系列為國內某公司自主開發(fā)的產品，PL3105是專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單芯片片上系統(tǒng)SoC(System onChip)。采用805l指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內嵌的載波通信單元使其具備了在低壓電力線上組網遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內同頻干擾能力、靈敏度高的優(yōu)點；集成了完善的電壓監(jiān)測上電掉電復位看門狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性。PL3200是在PL2000的基礎上開發(fā)的帶計量的載波通信芯片。
(7)MI200E
MI200E是彌亞微電子(中國)公司自主研發(fā)的一款專門針對低壓電力載波信道進行優(yōu)化設計的高集成度、高性能的網絡接口控制芯片。MI200E可廣泛應用于電力、供水、供氣等遠程抄表(AMR)及能源管理領域。MI200E集成了載波通信調制解調器物理層所需的所有部件，由低噪聲放大器、可編程帶通濾波器、限幅放大器、過零點檢測電路、全數(shù)字AC同步檢測鎖相環(huán)路、SPITM接口、DSP運算模塊、擴頻調制／解調器、基帶成型濾波器、前向糾錯編碼／解碼器、CRC一16編解碼、數(shù)字上變頻／下變頻、數(shù)字功率放大器等部分組成。[!--empirenews.page--]
3 電力線載波數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案
國內電力載波通信數(shù)傳模塊總體設計框架基本一致，絕大部分研發(fā)人員以國內外各電力線載波Modem芯片商開發(fā)的電力線載波Modem芯片為平臺，結合單片機控制芯片進行模塊化產品設計。由于單片機技術的廣泛發(fā)展應用，控制芯片的選取較為靈活，只要其資源能滿足控制應用即可，甚至部分國內自主研發(fā)的載波芯片產品本身已經內嵌微處理器，為設計人員提供了方便。
通常電力線載波Modem芯片的選取根據(jù)應用領域不同而進行針對性的不同選用，因此，目前國內電力載波通信數(shù)傳模塊的不同實現(xiàn)方案。在模塊功能上，主要區(qū)別在于電力線載波Modem芯片的選取不同。在整體結構上，區(qū)分在于是否采用集成程度較高的電力線載波Modem芯片。部分不采用電力線載波Modem芯片的研發(fā)人員，從最基本的理論出發(fā)，根據(jù)具體需要，自主設計調制解調電路和單片機控制電路及其外圍電路。
國內上述電力載波通信數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案都有應用，比如，某大學應用北京某公司自主開發(fā)的PL3l05電力線載波Modem芯片，結合對照明網絡開關控制的需要，分別開發(fā)出總控制器，組控制器和終端控制器3種不同功能的數(shù)傳模塊。其結構，如圖2所示。山東某大學大學基于較新一代的PL3200電力線載波Modem芯片進行了系統(tǒng)研究，總體解決方案與之具有繼承性。
此方案優(yōu)點是：采用國內自主研制芯片，針對性強，更加符合我國國情的電力通信網。硬件設計上，芯片本身內嵌增強型8051微處理器，集成度高，試驗和實際應用表明通信距離可結合其它技術方式進行擴展，通信誤碼率低。缺點是，單一通信信道的局限性，導致只適合中小規(guī)模的網絡應用。其中，基于PL3200的電力載波通信系統(tǒng)，選擇在電網區(qū)域用戶密集、電網分叉復雜、 供電覆蓋范圍大的惡劣信道環(huán)境下測試，通信速度：500 bps，環(huán)境溫度：23～28℃。(1)通信距離：30 m，誤碼率：0，誤包率：0；(2)通信距離：200 m，誤碼率：<10-3，誤包率：<10-2；(3)通信距離：300 m，誤碼率：<10-3，誤包率：約10-2；(4)通信距離：400 m，誤碼率：約17％，誤包率：約50％。
上海某大學的研究人員沒有利用現(xiàn)成的電力線載波Modem芯片，其數(shù)傳模塊設計由5部分組成：單片機通信機側的接口電路(包含RS一232：MAX202．RS一485：MAxl487)、單片機控制電路、電源電路(包括交流濾波器、變壓器、整流橋、LM2576—5、LM7815 LM7915)、調制解調電路和電力線藕合電路等。整個通信控制器的工作原理如下：來自通信機的數(shù)字信號接到RS一232(或RS一485)插座上，通過電平轉換芯片MAX202(或MAXl487)和單片機相連，這樣就可以進行單片機和通信機之間的信息交換；單片機控制系統(tǒng)是通信機和調制解調器之間連接的紐帶，在這里不但要完成數(shù)據(jù)的存儲，而且還要完成控制調制解調器的接收和發(fā)送功能；電源系統(tǒng)負責給單片機、MAX202、MAXl487以及調制解調器中各芯片供電。調制解調電路將單片機和電力線連接起來，是整個通信控制器和電力線之間的接口。在這里，它將來自單片機的數(shù)字信號轉換成跳頻信號，通過變壓器藕合到電力線上發(fā)送出去；同時，它也將來自電力線上的跳頻信號解調成數(shù)字信號，發(fā)送給單片機，然后通過電平轉換，單片機將所接收到的數(shù)字信號發(fā)送給通信機。這樣就完成了通信機間的通信過程。
此方案優(yōu)點是：不采用專門的電力線載波Modem芯片，能根據(jù)具體需求選擇和設計具體電路，冗余設置少、資源利用率高、開發(fā)成本較小，但是開發(fā)難度較大，通信可靠性相對較大。使用同一微機的串口模擬雙機通信，取15 m長的電力線連接測試，電力線上連有一個40 W的可調光臺燈以及一個850 W帶開關的電熱水壺。波特率：300 bps，測試時間：24小時，發(fā)送次數(shù)：42 853(每2 s發(fā)一次)，正確接收次數(shù)：39 214，成功率：91．51％。
由意法半導體(ST)設計生產的新型電力線收發(fā)芯片ST7540，于2006年推出，支持多種獨有或開放的FSK調制技術通信協(xié)議，其中包括EHS和Konnex(EN50090)，ST7540內置了FSK調制解調模塊、串行接口模塊、振蕩器模塊、電壓及電流控制模塊、濾波器、自動電平控制等電路，與前期產品ST7538的44個管腳不同的是，ST7540共有28個管腳，管腳數(shù)量大大減小，使用更加方便。一直以來，ST公司的ST7536、ST7538在國內應用成功案例較多，效果較好。在單片機的選擇上，美國微芯公司的PIC單片機經濟實惠，可以根據(jù)不同應用選擇合理資源配置的芯片型號。因此，基于PIC單片機和ST7540的數(shù)傳模塊解決方案，具有很大的優(yōu)越性和研究價值，近年來，受到很多相關研究人員和機構的關注。
4 急需解決的技術問題及發(fā)展方向
電力載波通信數(shù)傳模塊設計，目前需解決的問題是：
(1)進一步研究PLC通信理論，改進信號處理技術和編碼技術，優(yōu)化通信網絡結構以適應PLC特殊的環(huán)境。提高自適應信道均衡、回波抵消技術、自適應增益調整等技術水平，為低壓PLC通信的安全可靠提供保障；
(2)針對應用領域和通信環(huán)境，選取合理的電力載波通信芯片和MCU，設計有效的耦合電路，采用科學的通信協(xié)議，降低通信誤碼率，提高模塊通信穩(wěn)定可靠性。
基于國內巨大應用市場需求，伴隨著國內外電力載波通信技術的不斷發(fā)展和成熟，電力載波數(shù)傳模塊的研發(fā)越來越受到國內外學者和生產商的關注。適應國際化通信標準，符合國內實際，滿足國內需求，逐步走向網絡化應用是我國電力載波通信和數(shù)傳模塊研發(fā)的發(fā)展趨勢和走向。
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