根據低壓電力線(xiàn)的智能載波模塊的設計
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1 引言
低壓電力線(xiàn)載波通信（Power Line Communication）是指利用已有的低壓電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作 為傳輸媒介，實(shí)現數據傳遞和信息交換的一種技術(shù)[1]。低壓電力線(xiàn)載波通信這種傳輸信道分 布廣泛、無(wú)需另建、即插即用、移動(dòng)方便的特點(diǎn)對于滿(mǎn)足人們的需求具有很強的吸引力， 該技術(shù)現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(xiàn)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(xiàn)智能載波模塊的設計目的就是研制一種性?xún)r(jià)比較高的載波 通信模塊，選擇適當的調制解調技術(shù)，進(jìn)行數據準確、穩定和長(cháng)距離的傳輸。
2 低壓電力線(xiàn)智能載波模塊的設計
2.1 整體設計方案
低壓電力線(xiàn)智能載波模塊的主要功能是：外部控制系統把要傳送的數據通過(guò)標準的 UART、I2C 或SPI 串行接口傳送給P89LPC932，再通過(guò)微控制器和調制電路部分把數據調 制到低壓電力線(xiàn)上；同時(shí)，把低壓電力線(xiàn)上所調制的數據通過(guò)解調電路部分解調出來(lái)并通 過(guò)P89LPC932 標準的UART、I2C 或SPI 串行接口把低壓電力線(xiàn)上的數據傳送給外部控制 系統以進(jìn)行相應的處理。其模塊整體結構框圖如圖1 所示[2]。該設計以PHILIPS 公司生產(chǎn) 的一款8 位單片機P89LPC932 為控制器，以性?xún)r(jià)比高的模擬、數字電子器件和一些電容電 阻構成相位檢測電路和調制解調電路。
2.2 相位脈沖調制解調法原理
相位脈沖調制解調法原理[3-4]就是在正弦低壓電力線(xiàn)每個(gè)周期的固定相位處加一瞬時(shí)的 零脈沖信號。當在正弦交流電一個(gè)周期中調制信號的時(shí)候，在固定相位點(diǎn)就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬 時(shí)零脈沖。當正弦交流電一個(gè)周期中沒(méi)有調制信號的時(shí)候，不出現瞬時(shí)零脈沖，因此，用 有沒(méi)有瞬時(shí)零脈沖來(lái)識別低壓電力線(xiàn)上載有的“1”、“0”信號。
2.3 系統的硬件設計
2.3.1 微控制器的選型
本設計中選擇 PHILIPS 公司生產(chǎn)的一款8 位單片機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(chǎng)合。其主要的特性有： 在同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標準 80C51 器件的6 倍，只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達到同 樣的性能，降低了功耗和EMI；增強型UART，400kHz 字節方式I2C 通信端口，SPI 通信 端口；可配置的片內振蕩器及其頻率范圍和RC 振蕩器選項；可編程的I/O 口輸出模式：準 雙向口，開(kāi)漏輸出，推挽和僅為輸入功能。
2.3.2 相位檢測電路的設計
本系統所設計的相位檢測電路，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 系統的軟件設計
本軟件采用模塊化,結構化設計方案。主程序負責各功能寄存器初始化、等待發(fā)送數據 等功能。中斷處理程序負責接受外部輸入的數據、通過(guò)電力線(xiàn)發(fā)送和接受數據等功能。
3.1 改進(jìn)的Modbus協(xié)議介紹
軟件設計的一個(gè)重點(diǎn)是低壓電力線(xiàn)智能載波模塊通訊協(xié)議的制定。在本設計中，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(lái)。 此協(xié)議實(shí)現主載波模塊對從載波模塊的讀和寫(xiě)操作。其幀格式分別如下：
3.1 載波數據發(fā)送和接收的軟件設計
載波數據的發(fā)送和接收是在在微控制器P89LPC932外部中斷子程序中實(shí)現的。其程序流程圖如5所示：
圖5 載波數據發(fā)送和接收子程序流程圖
4 結 論
本文詳細的介紹了一款自主研究與設計的基于低壓電力線(xiàn)的智能載波模塊，通過(guò)數字示波器的實(shí)際測試及實(shí)驗室內的現場(chǎng)調試，本設計能夠可靠的通過(guò)低壓電力線(xiàn)傳送數據，傳輸距離1000m 左右，傳送距離遠，抗干擾能力強，可以廣泛的運用于電力線(xiàn)抄表、路燈控制、樓宇自動(dòng)化等多種場(chǎng)合
圖中，N 點(diǎn)接220V 交流電的零線(xiàn)，A 點(diǎn)接220V 交流電的火線(xiàn)，同時(shí)作為系統的模擬 地COM 端。R3 和R4 通過(guò)串聯(lián)接法構成通路，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(guò)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)計算可知，方波信號高 電平持續的時(shí)間為12ms，低電平持續的時(shí)間為8ms。
2.3.2 信號調制電路的設計
信號調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)送數據在低壓電力線(xiàn)上的調制工作，從而實(shí)現數據在電力線(xiàn)上的傳送。信號調制電路 硬件原理圖如圖3 所示。
圖中，E 點(diǎn)是P89LPC932 進(jìn)行信號調制的數據輸入端，在傳輸一位數據“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(méi)有電壓差，T 不導通，因而沒(méi) 有零脈沖信號調制到低壓電力線(xiàn)上；在傳輸一位數據“1”時(shí)，E 點(diǎn)出現一個(gè)持續時(shí)間很短 的低電平信號，（這個(gè)低電平信號的脈寬由R7、C4 和數據調制程序共同決定）。由于電容 C4 兩端的電壓不能突變，電壓比較器U2C 的兩個(gè)輸入端出現一個(gè)零脈沖信號，輸出端出現 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)射極之間出現電壓差，三極管T 導通，從而使正弦交流電的火線(xiàn)和零線(xiàn)瞬時(shí)導通，在電力線(xiàn)上出現一個(gè)零脈沖信號。
2.3.2 信號解調電路的設計
信號解調電路的功能主要是把低壓電力線(xiàn)上調制的信號從電力線(xiàn)上解調出來(lái)，發(fā)送給P89LPC932，供微控制器進(jìn)行相應的處理。其硬件原理圖如圖4 所示：
圖中，N 點(diǎn)為低壓電力線(xiàn)的零線(xiàn)。電容C5 起到低頻濾波的作用。電力線(xiàn)上調制的信號從N 進(jìn)入解調電路。電阻R8、R9 構成分壓電路，可知F 點(diǎn)電壓直流分量為：
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