國內電力線(xiàn)載波數傳模塊的研發(fā)分析

1 電力線(xiàn)載波數傳模塊簡(jiǎn)介
電力載波通信通過(guò)電力線(xiàn)載波數傳模塊將載有信息的高頻信號加載到電力線(xiàn)上，用電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，然后再通過(guò)電力線(xiàn)載波數傳模塊，將高頻信號從電力線(xiàn)上分離出來(lái)傳送到終端設備。電力線(xiàn)載波數傳模塊在電力載波通信網(wǎng)絡(luò )中承擔著(zhù)主機與節點(diǎn)、節點(diǎn)與節點(diǎn)間信息傳輸任務(wù)，起著(zhù)運輸樞紐作用，具體如圖1所示。

電力線(xiàn)載波數傳模塊通常是指，利用現有電力載波芯片結合單片機(SCM)控制處理和外圍電路開(kāi)發(fā)出來(lái)進(jìn)行實(shí)際低壓電力載波數字通信的通信模塊。國內生產(chǎn)的某些芯片本身內嵌增強型8051微處理器，無(wú)需開(kāi)發(fā)人員另外配置微處理器及外圍電路。電力線(xiàn)載波數傳模塊的設計內容通常包括電力線(xiàn)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(xiàn)載波數傳模塊是PLC技術(shù)的實(shí)際應用，是電力線(xiàn)載波通信廣泛應用的硬件基礎。在整個(gè)電力線(xiàn)載波通信網(wǎng)絡(luò )系統中，必須依靠電力載波通信模塊來(lái)實(shí)現設備終端與數據采集器間的數據交換，具有廣泛的研究意義。

2 國內適用電力線(xiàn)載波Modem芯片介紹
國外對電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)的研究較早、技術(shù)水平較為前沿，多家公司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。目前有針對北美洲地區電網(wǎng)(480 Y／277 V，208 Y／120 Vac)的標準頻率范圍100～450 kHz和針對歐洲地區電網(wǎng)(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，針對本地區電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專(zhuān)有技術(shù)，設計出各自的電力線(xiàn)載波Modem芯片。由于國外電力線(xiàn)載波Modem芯片是針對本地區電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構，且一般是針對家庭內部自動(dòng)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(lǐng)域可勉強使用的電力線(xiàn)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(xiàn)載波通訊而設計的專(zhuān)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(xiàn)應用加入了許多特別的信號處理手段。ST7536是較早的電力線(xiàn)載波Modem芯片之一，調制解調技術(shù)是FSK方式，3 bit容錯，它最高波特率為400 bsp。但它無(wú)CSMA(網(wǎng)絡(luò )載波偵聽(tīng))功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線(xiàn)載波抄表領(lǐng)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(shí)，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(xiàn)調制解調器芯片。與ST7536和ST7537相比，主要特點(diǎn)是：有8個(gè)工作頻段，可編程通信速率高達4 800 bps；提供過(guò)零檢測功能。
ST7540具有8個(gè)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(shí)具有UART／SPI主接口，采用單電源7．5~12．5 V工作，內部集成線(xiàn)路驅動(dòng)器和5 V、3．3 V兩個(gè)線(xiàn)性調整器，電流高達50 mA，數字電壓為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(guò)內部寄存器控制和同步串行接口來(lái)編程。ST7540還具有看門(mén)狗定時(shí)器、時(shí)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(xiàn)收發(fā)芯片兼容，為用戶(hù)的使用帶來(lái)極大方便。
(2)SSCP200／300、INT5130、INT5IXl
SSCP200／300(Spread Spectrum Communication)是Intellon公司采用現代最新通訊技術(shù)設計的電力線(xiàn)載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術(shù)、現代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標準的CEBus協(xié)議，可以稱(chēng)為智能Modem芯片，體現了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(xiàn)上實(shí)現的高速數據通信。INT5130與INT 1000收發(fā)器配合使用，采用OFDM技術(shù)，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(shù)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(gè)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(xiàn)來(lái)實(shí)現高速數據傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數據處理功能及對外相關(guān)接口，因此使用時(shí)僅需進(jìn)行簡(jiǎn)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(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，性能良好。以該芯片為核心的采集終端，可通過(guò)兩個(gè)電力線(xiàn)載波頻率進(jìn)行雙向傳輸通信，能自動(dòng)解決電力線(xiàn)通信能力惡化的問(wèn)題，并對傳輸的數據進(jìn)行集中管理及儲存；電力線(xiàn)調制解調器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與主站系統進(jìn)行數據資料的上傳以及系統的監控等；主站系統又以數據庫系統為核心，提供各地區所有數據資料的集中管理，既能作為數據服務(wù)器，又能進(jìn)行數據統計分析，在我國應用效果很理想，但它是Lonworks網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用，而且價(jià)格太高，難以在民用市場(chǎng)領(lǐng)域大規模推廣。
(4)MAX2986
Maxim公司生產(chǎn)的電力線(xiàn)通信收發(fā)芯片，該芯片完全兼容于Homeplugl．0協(xié)議，數據傳輸速率高達14 Mbps，可以滿(mǎn)足寬帶通信的需求。MAX2986電力線(xiàn)收發(fā)器利用了當前最高發(fā)展水平的CMOS設計技術(shù)，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(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)。MAX2986數字基帶與配套器件MAX2980模擬前端(AFE)一起，利用了Maxim先進(jìn)的OFDM電力線(xiàn)引擎，提供高達14 Mbps的自適應數據速率，可提供完整的高速電力線(xiàn)通信解決方案。該器件非常適合于以下應用：局域網(wǎng)(LAN)、音頻、語(yǔ)音、家庭自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化以及電力線(xiàn)寬帶(BPL)。
(5)HYT3101
針對電力線(xiàn)載波通信的困難，特別是我國電力線(xiàn)的特殊情況，深圳吳元設計了一款專(zhuān)用于電力線(xiàn)載波通信的芯片HYll3101。它具有以下特點(diǎn)來(lái)改進(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)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(shí)時(shí)監測電網(wǎng)干擾和信號功率，能夠檢測節點(diǎn)所在相位，為系統的路由／中繼和系統的自適應提供了物理上的基礎，保證了整個(gè)系統拓撲結構的自動(dòng)學(xué)習；(4)內嵌適合于現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議棧，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、會(huì )話(huà)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，PL3105是專(zhuān)為自動(dòng)抄表、智能信息家電以及遠程監控系統而開(kāi)發(fā)的單芯片片上系統SoC(System onChip)。采用805l指令兼容的高速微處理器，軟件易于開(kāi)發(fā)；內嵌的載波通信單元使其具備了在低壓電力線(xiàn)上組網(wǎng)遠程通信的強大功能；CPU通過(guò)配置寄存器來(lái)實(shí)現對載波通信的控制，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(diǎn)；集成了完善的電壓監測上電掉電復位看門(mén)狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時(shí)系統的可靠性。PL3200是在PL2000的基礎上開(kāi)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(zhuān)門(mén)針對低壓電力載波信道進(jìn)行優(yōu)化設計的高集成度、高性能的網(wǎng)絡(luò )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(lǐng)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(guò)零點(diǎn)檢測電路、全數字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、數字上變頻／下變頻、數字功率放大器等部分組成。