一種交流電數字編碼控制方法及實(shí)現

摘要：針對電力線(xiàn)載波通信技術(shù)節點(diǎn)成本高，切相調光技術(shù)線(xiàn)路諧波干擾大，且無(wú)法定位尋址控制的缺點(diǎn)，通過(guò)提出一種對交流電進(jìn)行數字編碼的控制方法，利用高壓功率驅動(dòng)器件對交流電的正負半波的后沿進(jìn)行數字脈沖編碼，每個(gè)半波編一個(gè)編碼位，實(shí)現電力線(xiàn)傳輸數字控制信號的目的。本文提供了控制器的編碼及接收端的解碼硬件電路及軟件解碼方法。本文的技術(shù)可應用于室內照明調光的可尋址控制。

0 引言

目前多數建筑仍采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪費。在原有供電系統上設計獨立的智能照明控制系統，改變傳統的照明控制方式，可以更科學(xué)、有效地管理照明用電。在電力線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，如采用電力線(xiàn)載波通信的方式，即通過(guò)在電力線(xiàn)上調制高頻載波信號實(shí)現設備間的信息傳輸和控制，這樣每個(gè)設備節點(diǎn)配備的高頻調制控制電路較為復雜，元件數量多，需要較高的成本。在商業(yè)和家庭照明燈具控制方面，現在市場(chǎng)上燈具控制網(wǎng)絡(luò )多采用專(zhuān)用控制線(xiàn)路進(jìn)行連接，這樣也增加了系統的布線(xiàn)成本。采用無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的系統，每個(gè)控制節點(diǎn)的元件成本也較高。采用電力線(xiàn)進(jìn)行照明調光，多數采用前沿或后沿的切相控制，切相調光對電網(wǎng)產(chǎn)生較高的持續諧波干擾，而且只能實(shí)現一組設備的統一調光控制，無(wú)法實(shí)現對單一個(gè)體設備的精確尋址控制或實(shí)現調光調色的數字化控制。

本文提供了一種交流正弦波數字編碼控制方法，利用高壓功率驅動(dòng)器件對交流電的正負半波的后沿進(jìn)行數字脈沖編碼，每個(gè)半波編一個(gè)數字位，實(shí)現交流電力線(xiàn)傳輸數字控制信號。本方案只需在控制的時(shí)候進(jìn)行切相編碼，當發(fā)送完控制指令后，恢復原來(lái)完整的正弦波信號，既解決了數字化精確控制，又解決了線(xiàn)路的諧波干擾問(wèn)題。

1 交流電數字編碼方法

組成一個(gè)控制單元最少由一個(gè)控制器和一個(gè)受控設備組成，控制器根據控制指令，對交流電輸入端的后沿進(jìn)行脈沖編碼，一幀數字編碼由起始位、地址、數據、校驗和停止位編碼組成。

交流電正弦波頻率50Hz，利用正負半周進(jìn)行編碼，每秒可以定義100個(gè)編碼位，在一些簡(jiǎn)單數字控制應用中，盡量縮短一幀數據的長(cháng)度，以提高設備的響應速度。本文采用的編碼方案為一幀數據由19個(gè)編碼位組成，其中1個(gè)起始位、8個(gè)地址位、8個(gè)數據位、1個(gè)奇校驗位、1個(gè)停止位。一幀數據的長(cháng)度為 190ms，每秒可以發(fā)送5幀控制信號，可滿(mǎn)足室內照明調光的控制需要。由于編碼和解碼的通信過(guò)程為單向通信，受控設備沒(méi)有應答信號返回給控制器，所以信號傳輸的可靠性尤其重要。

本文考慮負載端受控設備輸入端容性和感性對交流正弦波波形的影響，以較寬的脈沖寬度來(lái)定義編碼位的脈沖寬度，以使得受控設備得到穩定可靠的還原信號。這里以交流脈沖編碼過(guò)零點(diǎn)作為時(shí)間參考起點(diǎn)，以過(guò)零后T0時(shí)間開(kāi)始編碼，T0取值8.0ms，“起始位”為500μs低電平和500μs高電平;位“0”為 250μs低電平和250μs高電平;位“1”為250μs低電平和500μs高電平;“停止位”為完整的正弦半波。一個(gè)編碼位的波形如圖1，各編碼位的時(shí)間參數如表1。

如圖2是一幀數據的波形示意圖。包含1位起始位“Sbit”，8位地址位“A0-A7”，8位數據位“D0-D7”，1位奇校驗位“Cbit”，1位停止位“Ebit”。受控設備只接收與本身地址相同的數據或廣播數據。這樣，控制器可以對某個(gè)特定地址的受控設備進(jìn)行精確控制。

2 控制器編碼電路硬件設計

控制器的核心電路由微處理器電路、過(guò)零檢測電路和電壓驅動(dòng)控制電路組成?？刂坪诵挠筛咚傥⑻幚砥鱑1控制，控制信號輸出以交流電壓的過(guò)零點(diǎn)作為時(shí)間參考，如圖3所示，由B1、R1、U2、R3組成的過(guò)零檢測電路，當輸入交流電壓高于20V時(shí)，光耦U2導通，INT0為高電平，當輸入交流電壓低于20V時(shí)，光耦U2截止，INT0為低電平，觸發(fā)微處理器的定時(shí)器計數。微處理器U1可通過(guò)UART串口接收上位機的指令，根據編碼方法，通過(guò)編碼電路向受控設備發(fā)送指令。也可以通過(guò)微處理器U1接收控制按鍵信息，根據按鍵的功能定義進(jìn)行相應的控制。

如圖3所示，由整流橋B2、MOS管Q1以及Q2、Q3、Q4、D3、R4、R5、R6、R7、R8組成的MOS驅動(dòng)電路，其中三極管Q2、Q3、Q4組成開(kāi)關(guān)驅動(dòng)，為Q1提供+15V和0V的開(kāi)關(guān)電平。編碼電路通過(guò)開(kāi)通或關(guān)閉場(chǎng)效應管Q1來(lái)完成對受控設備的指令編碼。當微處理器的P11口輸出低電平時(shí)，Q3、Q4截止，Q2導通，場(chǎng)效應管Q1的柵極(G)施加了+15V電壓，Q1導通，輸入端的交流電通過(guò)Q1輸出到受控設備。當P11口輸出高電平時(shí)，Q4、Q3導通，Q2截止，場(chǎng)效應管Q1的柵極(G)通過(guò)R6被接到低電平GND，Q1截止，截斷了受控設備端交流電壓。電路中D3對Q1起保護柵極作用。微處理器通過(guò)讀取負載電阻R8上的電壓值，計算出負載電流，可以對負載的過(guò)流和短路進(jìn)行保護處理。

3 控制器編碼電路軟件設計

對于本系統中的控制器，由于是充當電力和信號提供的角色，則只提供發(fā)送指令功能?？刂破髦袉纹瑱C的主要實(shí)現以下功能和關(guān)鍵技術(shù)：通過(guò)串口接收用戶(hù)指令、檢測過(guò)零信號、對電力線(xiàn)進(jìn)行編碼。

3.1 串口接收用戶(hù)指令

當串口接收到指令后，單片機會(huì )進(jìn)入接收中斷，由于會(huì )收到多條指令，需要設立一個(gè)指令緩沖區存儲未被處理的指令。串口中斷處理程序完成后，根據指令是否有效，如果有效則給上位機發(fā)送響應信息，并將有效指令編碼成數據字節，放入發(fā)送緩沖區等待主程序進(jìn)行檢測發(fā)送。

3.2 過(guò)零信號檢測

基于電力線(xiàn)的數字傳輸，需要精確的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行編碼，便于下位機對電力線(xiàn)上的編碼進(jìn)行準確識別。因此，控制器單片機需檢測電力線(xiàn)的每一次過(guò)零信號，使得后續的編碼信號有一個(gè)時(shí)間參考點(diǎn)。參考圖3，過(guò)零檢測信號連接到單片機的中斷輸入接口“int0”，過(guò)零檢測信號電平波形如圖4的“Vint”，從圖中可知，“Vint”信號下降沿開(kāi)始到“Vint”變高的t0時(shí)間的中點(diǎn)為過(guò)零點(diǎn)。

3.3 電力線(xiàn)編碼

根據表1的編碼規則，每個(gè)數字位的編碼耗時(shí)約2ms。對于50Hz交流電信號則從過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始8ms的時(shí)間開(kāi)始進(jìn)行編碼。一幀數據包含起始位、8位地址位、 8位數據位、1位校驗位和停止位。當新的一幀數據需要發(fā)送時(shí)，先發(fā)送一位起始位，然后每個(gè)電力正弦波半周期發(fā)送1位(Bit)數據，低位在先。每一次發(fā)送 1位完成后，數據字節右移，直至地址和數據字節發(fā)送完成后，最后發(fā)送校驗位和停止位。如圖4的“Vout”為電力信號經(jīng)過(guò)編碼后的輸出波形圖。

4 受控設備解碼電路硬件設計

受控設備通過(guò)過(guò)零檢測電路還原上位機的指令信息。每幀指令信息包含起始位、地址、數據、奇校驗位和停止位。受控設備接收屬于本機地址相匹配的控制信息，并根據指令協(xié)議所定義的功能做出相應的控制。

圖5為受控設備的過(guò)零信號檢測電路，各元件的參數需要與控制器的過(guò)零檢測電路元件參數一致。由于所有的受控設備的電源輸入端并聯(lián)一起接在控制器的輸出端，為了減少受控設備電源輸入線(xiàn)路的容性對控制編碼脈沖上升沿的影響，受控設備電源輸入端需要減少輸入端電容。圖5是一種受控設備的電源方案，電源輸入兩端連接壓敏電阻VR，防止高壓的影響，共模電感L1有利于消除EMC干擾信號，經(jīng)過(guò)橋堆B3整流后由C1濾波，AC/DC隔離開(kāi)關(guān)電源的輸出級工作電壓Vdd 和控制邏輯電路工作電壓Vcc。微處理器通過(guò)INT0接口接收控制器的指令，并對接收的控制信號進(jìn)行解碼，根據通信協(xié)議的規定對后級進(jìn)行功能控制。圖6為受控設備輸入端電壓Vin波形和經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測電路后在INT0端的電壓Vo波形圖。

5 受控設備解碼電路軟件設計

在實(shí)際應用中，受控設備于系統中擔當接收控制信號，對信號進(jìn)行解碼并執行指令的對應控制。如圖6所示的“Vo”波形圖為經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測電路后“int0”端口的波形，基于A(yíng)C220V/50Hz電力系統的應用參數。本編碼方法主要體現在高低電平持續時(shí)間，因此解碼需要用到一個(gè)定時(shí)/計數器及一個(gè)外部中斷IO 口，以判斷此位數據是何種類(lèi)型。

一個(gè)不經(jīng)過(guò)削波編碼的完整正弦波的過(guò)零信號是一個(gè)寬度約為1.9—2.1ms的低電平，而一幀數據的起始位為寬度0.4—0.6ms的低電平和0.4— 0.6ms的高電平;一個(gè)數據位“0”為寬度0.15—0.35ms的低電平和0.15-0.35ms的高電平;一個(gè)數據位“1”為寬度0.1 5—0.35ms的低電平和0.4-0.6ms的高電平。程序上，當收到一個(gè)正確的起始位后，開(kāi)始接收17bit的數據和一個(gè)停止位，第17bit對2字節數據進(jìn)行奇偶校驗，如果校驗正確，則判斷接收到正確的一幀數據。當地址與本機地址相符合，則根據協(xié)議執行響應控制。

6 應用

在室內照明控制系統中，數字可尋址照明接口(DALI)技術(shù)利用雙線(xiàn)控制總線(xiàn)對6 4個(gè)獨立地址的照明燈具進(jìn)行智能化控制，包括對燈具進(jìn)行最多1 6個(gè)分組、和定義最多1 6個(gè)照明場(chǎng)景。每幀數據由1個(gè)字節的地址和1個(gè)字節的數據組成，采用本文的交流電數字編碼技術(shù)，把DALI控制信號經(jīng)過(guò)調光控制器轉換成電力線(xiàn)調制的數字化交流供電控制合一的控制信號，可以簡(jiǎn)化系統布線(xiàn)，非常適合室內照明系統的應用。如下圖7是照明控制系統中，DALI系統轉換成電力線(xiàn)數字控制系統的應用框架，通過(guò)兩條交流供電電纜實(shí)現了照明燈具的精確定位調光調色控制。

7 結論

本文介紹了一種對交流電進(jìn)行數字編碼的控制方法，通過(guò)高壓功率驅動(dòng)器件對交流電的正負半波的后沿進(jìn)行數字脈沖編碼，實(shí)現電力線(xiàn)傳輸數字控制信號的目的，在室內調光系統應用中，簡(jiǎn)化了系統布線(xiàn)，減少諧波干擾，實(shí)現了可精確尋址的調光調色控制。