基于CPLD的高壓電力線(xiàn)FSK MODEM設計

關(guān)鍵詞：CPLD FSK MODEM

1 國內電力線(xiàn)載波的應用

在電力系統中，由于電力線(xiàn)載波使用堅固可靠的高壓電力線(xiàn)作為信號的傳輸媒介，可節省大量的通道建設投資，再加上電力線(xiàn)載波信息傳輸穩定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時(shí)復用遠動(dòng)信號等特點(diǎn)，使得這種電力系統獨有的通信方式在數字微波、一點(diǎn)多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現的今天仍得到持續的發(fā)展。

由于數據信號的信噪比決定傳輸距離的遠近，因此電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵就是設計出一個(gè)功能強大的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用MODEM芯片。國外在電力線(xiàn)載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續推出了自己的電力線(xiàn)載波MODEM芯片，并制定了電力線(xiàn)載波適用頻率范圍的標準。由于國外電力線(xiàn)載波MODEM芯片是針對本地區電網(wǎng)特性和結構的，且一般是針對家庭內部自動(dòng)化而設計，因此在國內使用都難盡如人意。

圖1 FSK MODEM系統組成

電力線(xiàn)載波MODEM芯片雖然容易使用，但它的中心頻率和頻偏比較固定，對特殊的應用場(chǎng)合就難以發(fā)揮作用。因此有根據特殊應用來(lái)開(kāi)發(fā)電力線(xiàn)載波MODEM的必要。以下討論的就是一個(gè)應用于100kV的高壓電力線(xiàn)FSK MODEM的設計。

2 實(shí)現電力線(xiàn)載波通信的難點(diǎn)

由于電力線(xiàn)是給用電設備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數據的，所以電力線(xiàn)對數據傳輸有許多限制，因此電力線(xiàn)通信具有以下特點(diǎn)。

①配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個(gè)配電變壓器區域范圍內傳送。

②三相電力線(xiàn)間有很大信號損失（10dB～30dB）。通信距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì )收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線(xiàn)上傳輸。

③不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同，耦合方式有線(xiàn)-地耦合和線(xiàn)-中線(xiàn)耦合。與線(xiàn)-中線(xiàn)耦合方式相比，線(xiàn)-地耦合方式電力載波信號損失十幾dB，但線(xiàn)-地耦合方式不是所有地區電力系統都適用。

圖2 RS232-TTL轉換及緩沖電路

④電力線(xiàn)存在脈沖干擾。目前國內使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現兩次峰值。兩次峰值會(huì )帶來(lái)兩次脈沖干擾，因此電力線(xiàn)上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms。為了保證數據傳輸的可靠性，必須加以處理。有一種利用波形過(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內進(jìn)行數據傳輸的方法，但由于過(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應用與交流波形同步不好控制，現場(chǎng)通信數據幀又比較長(cháng)，所以難以應用。

⑤電力線(xiàn)對載波信號造成高削減。當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高削減。實(shí)際應用中，當電力線(xiàn)空載時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸到幾km。但當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，只能傳輸幾十m。因此，只有通過(guò)進(jìn)一步提高載波信號功率來(lái)滿(mǎn)足數據傳輸的要求。提高載波信號功率會(huì )增加產(chǎn)品成本和體積。

因此電力線(xiàn)上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線(xiàn)成為一個(gè)不理想的通信媒介；但由于現代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線(xiàn)載波通信已成為可能。

3 系統組成及工作原理

如圖1所示，系統主要由兩部分組成：調制部分和解調部分。

待解調的二進(jìn)制數據流通過(guò)輸入緩沖器后進(jìn)入調制模塊。調制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過(guò)輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線(xiàn)路上。

待解調的FSK正弦波通過(guò)輸入放大器，波形變換電路變換成為FSK方波，在輸入到解調模塊解頻之后，經(jīng)過(guò)輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數據流。

在下面我們將對這兩部分作詳細進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 調制部分

調制方式為FSK，數據為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數據為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。

輸入的二進(jìn)制數據流經(jīng)過(guò)緩沖隔離后，由CPLD采樣來(lái)判斷當前輸入電平的高低，并在FSK信號輸出端產(chǎn)生相應頻率的方波。表1為二進(jìn)制數據對應的方波頻率表。

表1 調制規則表

隨著(zhù)二進(jìn)制數據的跳變，在FSK信號輸出端產(chǎn)生不同頻率的方波，從而形成了FSK調制波形（方波）。

由于方波是由無(wú)窮個(gè)逐次倍頻的正弦波組成的，如下式所示

ω0=2πf，f為基頻，就是方波的頻率。

所以我們可以在CPLD的FSK信號輸出端后，加入一個(gè)低通濾波器來(lái)濾除方波的高頻諧波分量，濾波器輸出的則是對應于方波的同頻率的正弦信號，經(jīng)過(guò)緩沖放大后即可輸出FSK信號。

3.2 解調部分

FSK信號是通過(guò)波形變換電路（由比較電路及緩沖放大電路組成）變換成為同頻同相的方波。CPLD對方波進(jìn)行頻率識別，并在數據輸出端輸出解頻后的數據流。

3.3 技術(shù)指標

載波上限頻率―3260Hz。

載波下限頻率―2460Hz。

載波中心頻率―2860Hz。

波特率―300bps，600bps，1200bps。

調制方式―FSK。數據為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間的正弦波；數據為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。

圖4 過(guò)零檢測電路

4 硬件設計

4.1 輸入緩沖及輸出緩沖

計算機一般是通過(guò)串口傳輸數據，所以要用RS232TTL轉換芯片MAX232來(lái)進(jìn)行電平轉換，同時(shí)通過(guò)緩沖器CD4050來(lái)隔離并驅動(dòng)后級，如圖2所示。

4.2 輸出濾波器，輸出放大器

因為需要濾掉載波下限頻率的三次倍頻7380Hz（2460Hz3）以上的頻率，因此該濾波器的截至頻率設計為4000Hz（>3260Hz）。為了減小體積，這里采用了Maxim公司的開(kāi)關(guān)電容（switched capacitor）濾波器MAX7411。MAX7411是一個(gè)五階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，具有非?？斓南陆刀惹译娐肥趾?jiǎn)潔。圖3是由MAX7411構成的濾波器。

INPUT為輸入頻率fIN，OUTPUT為輸出頻率fout'CLOCK為截至頻率fc。該濾波器的效果如表2所列。

由表2可見(jiàn)，在1.25fc處信號衰減達到-38.5dB，已經(jīng)可以忽略了。

表2 MAX7411的濾波參數

我們的截止頻率是4000Hz，即4000=1.25fC。所以fc=3200Hz。該頻率由CPLD產(chǎn)生。

為了能夠推動(dòng)后級設備，必須在濾波器之后加上輸出放大器，這里采用FC411。電路為普通的反相放大器電路。

4.3 輸入放大器和波形變換電路

如圖4所示，輸入的FSK和正弦信號經(jīng)過(guò)運放TLE2037放大后，輸入比較器LM311進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測。由于在接地處有較強的噪音，因此必須在電路設計上考慮抗干擾的問(wèn)題，如采取隔離、浮地等措施。LM311是一款高速比較器，比較速度最在為165ns，它的輸出兼容TTL和MOS電路。LM311通過(guò)過(guò)零檢測，把FSK波形轉換成方波輸入CPLD，由CPLD進(jìn)行頻率分析，從而實(shí)現解頻的目的。

5 軟件設計

該系統軟件最主要的部分就是調制和解調軟件的設計，還有一部分是濾波器的時(shí)鐘產(chǎn)生及工作狀態(tài)指示與工作模式選擇。

此系統可以選擇300bps、600bps、1200bps三種波特率，由外部的跳線(xiàn)決定。

工作指示用來(lái)指示波特率及系統是否繁忙。如果需要還可以輸出同步的時(shí)鐘信號。

5.1 調制部分

如圖5所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測數據輸入引腳的狀態(tài)，如果狀態(tài)變化，則檢測當前的波形是否完整（為了保證相位的穩定，要求必須在最靠近波形零點(diǎn)的地址切換頻率），如是則切換輸出頻率。

5.2 解調部分

如圖6所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測FSK信號的頻率，并切換輸出的數據。

結語(yǔ)

原來(lái)采用MCU調制和解調，但是MCU的速度極大的影響了系統性能，尤其是抗干擾能力，使得決定采用高速的比較器和CPLD來(lái)進(jìn)行調制和解調，使得系統的整體性能得到了較大的提高，目前已用于100kV的高壓電力線(xiàn)上的控制數據傳輸。