基于ST7538和ATmega88V的電力線(xiàn)載波通信模塊的設計

低壓配電網(wǎng)是一個(gè)用戶(hù)最多，分布最廣的一種能源傳輸網(wǎng)絡(luò )，電力線(xiàn)載波通信是利用現有的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息傳輸的一種通信方式。它可用于電力管理、照明控制、加熱制冷系統控制、遠程抄表、報警系統及智能化小區。利用電力線(xiàn)作為通信媒介的優(yōu)勢在于,無(wú)須重新布線(xiàn)、維護方便、大大節省通信成本。本文設計了一套基于調制解調模塊ST7538和ATmega88V單片機的電力線(xiàn)載波通信模塊。

系統總體設計
根據低壓電力線(xiàn)載波通信的系統原理，給出了整個(gè)系統的總體設計，如圖1所示。本電力線(xiàn)載波通信節點(diǎn)模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號處理部分、電源電路部分和電力線(xiàn)接口部分。

圖1 低壓電力線(xiàn)載波通信的系統原理

硬件設計
1 微控制器的選擇
微控制器是系統的控制核心,它負責整個(gè)系統中任務(wù)的協(xié)調與調度。為克服電力線(xiàn)上存在信號衰減大、時(shí)變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，但這可能加大算法的復雜程度導致運算速度降低。綜合考慮成本和運算能力之后，微處理器選用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器ATmega88V，它的具體參數及特點(diǎn)詳見(jiàn)產(chǎn)品手冊。

2 調制解調芯片的選擇
信號調制與解調以及對信號的自適應平衡放大、濾波及與微控制器的通信等功能由電力線(xiàn)載波芯片完成。電力線(xiàn)接口則起到耦合、隔離、濾波與保護的功能。

由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號調制解調芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而設計的半雙工、同步/異步、FSK調制解調器芯片,具有功能強大、集成度高、抗干擾技術(shù)多等特點(diǎn)，已在電力載波通信中比較廣泛的應用。

ST7538通過(guò)串行接口與主控制器交換數據。由于在方案設計中ATmega88V的USART用來(lái)和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機的接口采用其通過(guò)串行接口與ATmega88V的串行外設接口SPI相互通信來(lái)實(shí)現。ATmega88V的串行外設接口SPI具有全雙工、3線(xiàn)同步數據傳輸、主從及操作等特點(diǎn)。在本方案設計中采用ST7538做主機，ATmega88V做從機，由ST7538提供數據同步傳輸時(shí)鐘。

3 電源芯片的選擇
由于整個(gè)系統中主要芯片（ST7538,ATmega88V）的工作電壓分別是12V和5V，系統總功率不超過(guò)2W，所以我們選用LM2596 作為電源芯片。LM2596開(kāi)關(guān)電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，具有非常小的電壓調整率和電流調整率，具有3A的負載驅動(dòng)能力，LM2596 能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調節的可調電壓輸出方式，輸入電壓達到36V。LM2596 應用時(shí)比較簡(jiǎn)單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個(gè)），內置頻率補償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率為52kHz，所以應用時(shí)可以使用小尺寸的濾波元件。它可以高效地取代一般的三端線(xiàn)性穩壓器，能夠充分減小散熱片的面積。在規定的輸入電壓和輸出負載的條件下，LM2596 輸出電壓的誤差范圍為±4%；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10%；典型的待機電流為50μA，芯片內置過(guò)流保護電路和過(guò)熱保護電路。所以在設計中選用了兩片LM2596分別做兩個(gè)支路輸出5V和12V。此外，在PCB設計時(shí)考慮到開(kāi)關(guān)電源芯片會(huì )產(chǎn)生很強的電磁波輻射，所以盡量遠離調制解調電路及濾波電路，以免對載波信號造成干擾。

圖2 LM2596電源模塊電路原理

4 電力線(xiàn)接口電路設計
實(shí)現優(yōu)質(zhì)高效的電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵在于所選用的載波調制解調模塊和相應的接口電路。電力線(xiàn)接口電路將調制解調部分和電力線(xiàn)耦合,實(shí)現信號在電力線(xiàn)上的傳輸。通信過(guò)程要求這個(gè)接口電路在發(fā)送信號時(shí),對信號進(jìn)行濾波處理,濾除一定的噪聲如二次諧波,并通過(guò)功率放大器使信號有足夠的功率耦合到電力線(xiàn)上；在接收時(shí),對混雜在信號中的噪聲進(jìn)行濾除,并放大信號,然后將信號傳送到調制解調模塊中進(jìn)行解調。因此接口電路的性能決定了通信效果的好壞。一般地,電力線(xiàn)接口電路包括:接收部分、發(fā)送部分、功率放大部分和保護部分等。因為ST7538內部帶有功率放大電路,所以只需設計接收、發(fā)送和保護三個(gè)部分。電力線(xiàn)接口電路如圖3所示。