基于電力載波通信的新型同步電子鐘設計

摘要：為了解決當前一些重大考試需要懸掛時(shí)鐘的問(wèn)題，設計一種新型同步數字電子時(shí)鐘系統。應用電力載波技術(shù)實(shí)現了電子鐘的遠程同步控制。介紹了系統的組成及工作原理，為系統的設計提供了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、低成本的同步控制方案。
關(guān)鍵詞：同步時(shí)鐘；電力載波通信；SC1128；PCF8563

0 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)電力線(xiàn)載波通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)的發(fā)展，電力線(xiàn)載波通信已大量地應用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，如電力線(xiàn)上網(wǎng)、電力載波自動(dòng)抄表系統、家庭自動(dòng)化系統、工業(yè)過(guò)程控制等。
電力線(xiàn)載波通信技術(shù)是指利用電力線(xiàn)傳輸數據和媒體信號的一種通信方式，該技術(shù)是把載有高頻調制的信息加載于電流，然后用電力線(xiàn)傳輸，接收信息的適配器再把高頻調制信息從電流中分離出來(lái)并傳送至計算機或其他相應設備，以實(shí)現信息傳遞。由于電力線(xiàn)載波通信技術(shù)以電力線(xiàn)路為傳輸通道，具有較高的傳輸可靠性，較低的線(xiàn)路衰減，以及不需要通信線(xiàn)路建設的基建投資和日常維護費用等優(yōu)點(diǎn)，使得這種技術(shù)變得方便、成本低、易實(shí)現。
本文介紹一種基于低壓電力載波通信技術(shù)實(shí)現的同步數字電子鐘系統。傳統的時(shí)鐘同步，通常需要到每個(gè)時(shí)鐘處手動(dòng)校準。這項工作不僅效率低下，而且還存在人為誤差，不能滿(mǎn)足現代化管理的需求。使用基于電力載波通信的同步時(shí)鐘，不僅成本低，而且能夠圓滿(mǎn)地解決上述問(wèn)題。該系統利用低壓供電電路，由主機發(fā)送時(shí)鐘校準信號，由載波通信模塊通過(guò)電力線(xiàn)傳輸，從機接收信號后，調整時(shí)間，實(shí)現電子鐘的同步運行。

1 系統總體結構
1．1 系統組成
系統由兩部分組成，其結構如圖1所示。一部分是同步時(shí)鐘的控制終端，作為主機系統，另一部分是從機系統。所有從機結構都一樣，臺數依實(shí)際需要確定，不受限制。系統采用220V低壓供電線(xiàn)路作為通信媒介。主機及從機系統主要由單片機、PCF8563時(shí)間芯片、SC1128擴頻載波芯片、輸出功率放大器、帶通濾波器、前級放大電路、耦合電路、鍵盤(pán)陣列輸入、顯示輸出等組成。主機系統單片機采用Atmel公司的AT89S52作為控制芯片，增加RS 232或USB串行接口，以便與PC機通信。PC機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )可與Internet時(shí)間同步，從而使系統能與Internet時(shí)間同步。從機單片機采用AT89C2051作為控制芯片。從機設置一個(gè)運行方式開(kāi)關(guān)，可在同步運行方式或獨立運行兩種方式下工作。若工作于同步方式：由主機發(fā)送時(shí)鐘校準信號，由載波通信模塊通過(guò)電力線(xiàn)傳輸，從機接收信號后，調整時(shí)間，實(shí)現電子鐘的同步運行。若工作于獨立方式：從時(shí)鐘芯片PCF8563讀取時(shí)間。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入時(shí)間或修改時(shí)間。

時(shí)鐘芯片采用Philips公司生產(chǎn)設計的PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過(guò)I2C總線(xiàn)接口串行傳遞。
1．2 電力載波通信模塊
由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶(hù)，決定了其結構和通信環(huán)境的復雜性，如：噪聲干擾強、干擾信號時(shí)變性強、信號衰減大、信道容量小等。因此在該系統中，選擇由北京智源利和微電子技術(shù)有限公司設計開(kāi)發(fā)的電力線(xiàn)載波調制芯片SC1128，其內部邏輯結構圖如圖2所示。
該芯片專(zhuān)門(mén)針對中國低壓電網(wǎng)特性而設計，是一款適合中國低壓電網(wǎng)特性的數據傳輸專(zhuān)用芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術(shù)，該芯片應用在電力線(xiàn)通信方面具有較強的抗干擾及抗衰減性能。該芯片采用CMOS技術(shù)設計的數?；旌蠈?zhuān)用電路，應用先進(jìn)的擴頻通信技術(shù)和調制解調技術(shù)，是面向低壓電力線(xiàn)低速率通信市場(chǎng)需要的專(zhuān)用擴頻Modem芯片。而且SC1128價(jià)位較低，可以為民用市場(chǎng)所接受。其電路內部集成了擴頻器、DAC和ADC、輸出驅動(dòng)器、輸入信號放大器、工作電壓檢測器、看門(mén)狗電路、串／并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統應用中可以降低系統的成本，提高系統的性能。
SC1128芯片是采用CMOS技術(shù)設計的數／?；旌想娐?。其功能特點(diǎn)如下：
(1)直接序列擴頻技術(shù)，抗干擾能力強；
(2)發(fā)射信號分為兩種形式輸出：一種是經(jīng)D／A轉換器后正弦緩沖器輸出，諧波成份少；另一種以高壓開(kāi)漏緩沖器輸出，應用成本低；
(3)輸入信號放大器，對輸入信號進(jìn)行前置放大；
(4)內置看門(mén)狗電路，監視系統程序的工作狀態(tài)；
(5)內置電壓監測器，監視電源電壓的變化，并及時(shí)向系統發(fā)出報警信號；
(6)內置電子表電路(24小時(shí)制)，滿(mǎn)足對不同時(shí)間段記費率的要求(支持掉電工作)；
(7)內置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與MCU之間的控制命令和數據交換；
(8)63位擴頻碼，數據速率典型值為5．75 Kb／s；
(9)捕獲門(mén)限值從200～6 290由軟件設定；
(10)內置64×8 SRAM存儲器(支持掉電工作)，為系統提供數據暫存；
(11)提供QFP-44線(xiàn)封裝形式(LQFP-44PIN)；
(12)單+5 V電壓工作。
1．3 電力載波模塊與單片機的通信
SC1128第28腳為電路工作主時(shí)鐘的1／2的晶振輸出(其峰峰值約為4 V)，近似正弦波；32腳為電壓監測端；33腳為看門(mén)狗輸入端，正常工作時(shí)應該在768 ms內產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門(mén)狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出1／3占空比的復位脈沖；35腳與32腳配合，當電源信號低于監測值時(shí)，輸出低電平，當高于監測值，則輸出高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接收同步后產(chǎn)生同步脈沖信號，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數據；39腳為設置數據及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設置時(shí)鐘輸入端；41腳為片選輸入端。SC1128與AT89C2051單片機的接口電路如圖3所示，SC1128與AT89S52單片機的接口電路可參照圖3，基本相同。

數據收發(fā)流程如下：
當主機處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機將SR端(36腳)置高，SC1128芯片輸出同步脈沖(37腳)，單片機通過(guò)TX端(38腳)同步發(fā)送數據。
當從機處于接收狀態(tài)時(shí)，單片機將SR端(36腳)置低，SC1128芯片若接收到數據，則發(fā)射同步脈沖(37腳)，通過(guò)TX端(38腳)將數據同步發(fā)送到單片機。

2 軟件設計
系統的軟件分為主機與從機兩部分。主機與從機流程圖如圖4，圖5所示。

主機通過(guò)RS 232或者USB與PC機通信，以便上網(wǎng)與Internet時(shí)鐘同步，系統將時(shí)間值保存在時(shí)鐘芯片PCF8563中，單片機每隔0．5 s從PCF8563中讀取一次數值，按照規定的格式及要求發(fā)給SC1128擴頻載波芯片，由SC1128擴頻載波芯片將數據調制到低壓供電網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行廣播傳輸。從機單片機將電力線(xiàn)上加載的時(shí)鐘調制信號經(jīng)耦合電路耦合將數據送往輸入帶通濾波器濾波及前級放大電路進(jìn)行放大，再由12腳進(jìn)入SC1128擴頻載波芯片做進(jìn)一步處理，根據通信協(xié)議解析出中央控制端發(fā)送的時(shí)間值并輸出顯示。為了數據傳輸的可靠性的提高，誤碼率的降低，數據需要重復發(fā)送3次。
主機和從機之間數據的交換采用的串行異步通信方式，基于通信協(xié)議，使用一個(gè)8位的unsigned char變量作為接收窗口。具體載波信號發(fā)射接收過(guò)程如圖6所示。

3 結語(yǔ)
本文介紹了電力線(xiàn)載波通信技術(shù)在同步電子鐘系統中的應用。利用了電力網(wǎng)絡(luò )本身的方便，實(shí)現了時(shí)鐘的中央控制。系統具有成本低、易實(shí)現，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性?xún)r(jià)比較高、新型的控制方式。系統既可同步運行又可獨立運行?，F在各種考試考場(chǎng)都需要掛鐘，此系統具有很好的應用價(jià)值。