DC 應用的電力線(xiàn)通信實(shí)施

　　引言

　　電力線(xiàn)通信(PLC)是一種通過(guò)現有電力線(xiàn)纜發(fā)送數據的通信技術(shù)。該技術(shù)可采用半雙工方式在PLC節點(diǎn)之間傳輸電力與數據。由于能通過(guò)相同線(xiàn)路同時(shí)傳輸電力及數據，因此PLC技術(shù)無(wú)需使用額外線(xiàn)路與設備互聯(lián)。PLC可為各種廣泛應用提供低成本通信媒介，充分滿(mǎn)足可能采用其它技術(shù)組網(wǎng)成本過(guò)高的環(huán)境需求。作為通信技術(shù)，PLC可分為兩大類(lèi)：

　　●寬帶PLC適合互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡(luò )連接。它一般工作在較高頻率(1.8至250MHz)

　　和高數據速率(高達數百Mbps)下，多為較短距離應用使用。

　　●窄帶PLC適用于需要窄帶控制或低帶寬數據采集的應用，這些應用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率(3到500KHz)和較低數據速率(幾百kbps)下，具有較大的覆蓋范圍(達數公里)，該覆蓋范圍可通過(guò)中繼器擴大。

　　根據底層電力線(xiàn)特征，PLC還可進(jìn)一步細分為AC電力線(xiàn)PLC和DC電力線(xiàn)PLC.

　　世界各地許多公共事業(yè)單位都選擇AC線(xiàn)路窄帶PLC用于其智能電網(wǎng)項目。他們通過(guò)按日、甚至按設備或應用監控用電情況，提供能夠激勵消費者調整用電的定價(jià)結構，從而可減輕峰值負荷，避免興建新的電廠(chǎng)。

　　PLC在智能電網(wǎng)應用中的廣泛采用已引起對AC電力線(xiàn)PLC的高度重視。不過(guò)在家庭網(wǎng)絡(luò )、照明和太陽(yáng)能應用以及交通運輸車(chē)輛(飛機、汽車(chē)和列車(chē)中的電子控制)中，DC電力線(xiàn)窄帶PLC也在興起。在這些應用中使用PLC，可降低布線(xiàn)復雜性、重量以及通信的最終成本。

　　在本文中，我們將重點(diǎn)介紹DC電力線(xiàn)PLC的使用，并提供可幫助客戶(hù)迅速有效采用這一技術(shù)的參考設計。

　　系統集成人員常提出這樣的問(wèn)題：如何比較DC電力線(xiàn)PLC和低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)劣?雖然DC線(xiàn)路PLC和低功耗無(wú)線(xiàn)都不需要新電線(xiàn)布置，但使用PLC時(shí)，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運營(yíng)商或公共事業(yè)單位所有，因此不存在共享帶寬風(fēng)險。PLC沒(méi)有視線(xiàn)限制，不受天氣影響。

　　DC PLC解決方案的高靈活性

　　開(kāi)發(fā)一款有效PLC解決方案有其難度。一般電力線(xiàn)噪聲大，需要穩健的系統架構才能確保數據可靠性。每個(gè)最終應用及工作環(huán)境都不同，因此需要靈活的設計來(lái)適應各種不同的條件。系統設計人員需要一款高靈活平臺，其不僅可幫助他們根據每種應用的具體要求優(yōu)化設計，而且還能讓設計適應未來(lái)出現的新標準和新市場(chǎng)機遇。通過(guò)這種方式，可以在多種應用中重復使用知識產(chǎn)權，加速開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品上市進(jìn)程，并不斷擴大市場(chǎng)機遇。

　　實(shí)現高靈活性的關(guān)鍵點(diǎn)是軟硬件的模塊化架構。將復雜的PLC系統拆分為多個(gè)獨立子系統，開(kāi)發(fā)人員可在無(wú)需全部重新設計整個(gè)系統的情況下修改設計的某個(gè)方面(比如所使用的調制方案或網(wǎng)絡(luò )協(xié)議)。各種可實(shí)現應用的部分實(shí)例包括：

　　●調制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開(kāi)發(fā)人員為具體應用實(shí)施最高效率的調制方案。例如針對窄帶通信提供的幾個(gè)調制方案，包括展頻移鍵(S-FSK)與正交頻分多路復用(OFDM)調制等;

　　●通信協(xié)議：為實(shí)現互操作性，設備可能需要符合具體協(xié)議標準。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)使用高靈活平臺，既可輕松實(shí)施常用的PLC標準(包括S-FSK (IEC61334)、PRIME和G3)，也可實(shí)施能滿(mǎn)足其應用特定需求的定制協(xié)議。

　　圖1：PLC通信協(xié)議的比較

　　現有標準對窄帶DC PLC應用規定很少，而且在許多應用中網(wǎng)絡(luò )處于獨立狀態(tài)。在這些情況下，可以使用較為簡(jiǎn)單的通信協(xié)議棧。這類(lèi)較簡(jiǎn)單專(zhuān)有協(xié)議棧的一個(gè)具體實(shí)例是德州儀器(TI)的PLC-Lite(圖1)。該協(xié)議棧特別適合不需要G3及PRIME復雜性、但仍然需要穩健通信通道的低成本環(huán)境及應用。

　　對于樓宇網(wǎng)絡(luò )(只需幾Kbps)中的簡(jiǎn)易燈泡或墻壁開(kāi)關(guān)而言，PLC-Lite是理想的解決方案。PLC-Lite不僅提供21Kbps的最大數據速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對某種類(lèi)型的干擾提供更高的穩健性，其中包括可影響G3鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite包含簡(jiǎn)單的載波感測多路訪(fǎng)問(wèn)與沖突避免(CSMA/CA)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層，其能夠與任何應用協(xié)議棧集成。

　　由于結構簡(jiǎn)單，數據速率較低，因此PLC-Lite每鏈路的實(shí)施成本明顯較低。此外，它還可帶來(lái)極高的靈活性，允許設計人員在行業(yè)標準限制以外定制通道鏈路。圖2是PLC-Lite完整特性集的總括。

　　圖2：TI PLC-Lite的特性

　　電力線(xiàn)接口挑戰

　　對于DC PLC實(shí)施而言，在系統中連接電力線(xiàn)會(huì )帶來(lái)另一重需要解決的挑戰。部分特定問(wèn)題方面包括：

　　●多重節點(diǎn)支持的阻抗控制;

　　●任何電源開(kāi)關(guān)的PLC濾波;

　　●實(shí)現可靠AC耦合所需的電力線(xiàn)耦合保護電路。

　　(1)多節點(diǎn)支持

　　大多數DC PLC實(shí)施需要支持通過(guò)單根電力線(xiàn)總線(xiàn)連接的大量節點(diǎn)(幾十個(gè)到幾百個(gè))，以帶來(lái)實(shí)用性。要讓傳輸信號在沒(méi)有明顯衰減的情況下達到所有節點(diǎn)，主要要求體現為我們熟悉的等式：

　　源阻抗 << 負載阻抗(等式 1)

　　我們會(huì )在參考設計中說(shuō)明如何達到這一點(diǎn)。對于以下分析，假設 PLC-Lite 的調制頻率大約為 40KHz。我們隨后可計算 PLC 節點(diǎn)的源阻抗(等式 2)。

　　(等式 2)

　　其中：

　　c = C6 = 22 μF(圖 3)

　　圖 3：輸入耦合級電路

　　假設給定接收器節點(diǎn)的負載阻抗和在發(fā)送器節點(diǎn)上看到的一樣，大約為 30Ohm。在新增多個(gè)節點(diǎn)時(shí)，由于負載是阻抗的并聯(lián)組合，因此可降低該負載阻抗。例如，如果系統中有九個(gè)節點(diǎn)，就可計算通過(guò)一個(gè)發(fā)送器節點(diǎn)可以看到的總體負載阻抗，如等式 2 所示。

　　下面以?xún)煞N情況為例。一種情況是：一個(gè)發(fā)送器(主)節點(diǎn)和四個(gè)接收器(從)節點(diǎn)。另一種情況是：一個(gè)主節點(diǎn)和九個(gè)從節點(diǎn)。根據等式 2 的計算，源阻抗要求會(huì )隨從節點(diǎn)數量的變化而變化。

　　● 9 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 10 個(gè) PLC 節點(diǎn)，負載阻抗 = 30/10 = 3 Ohms;

　　● 4 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 5 個(gè) PLC 節點(diǎn)，負載阻抗 = 30/5 = 6 Ohms

　　圖 4：一個(gè)發(fā)送器、沒(méi)有接收器的測試結果

　　圖 5：1 個(gè)發(fā)送器和 4 個(gè)接收器的測試結果

　　如圖 4、圖 5 所示，隨著(zhù)從節點(diǎn)的增多，調制信號的幅度有明顯變化。在前面的設置中，DC 線(xiàn)路是以探針?lè )绞脚c示波器連接的(AC 耦合)。按下 PLC 節點(diǎn)上的一個(gè)外部開(kāi)關(guān)，即可觸發(fā)示波器，隨后生成一個(gè) PLC 通信猝發(fā)。

　　(2)任何電源開(kāi)關(guān)的PLC濾波

　　DC PLC設計過(guò)程中的另一個(gè)挑戰是PLC節點(diǎn)必須使用DC電源才能生成本地電壓(15V、3.3V)并調制相同的DC電源。如果不采用適當的濾波技術(shù)，在這種情況下DC/DC開(kāi)關(guān)電源就會(huì )對PLC調制造成干擾。

　　圖6：電源濾波電路

　　如圖6所示，低通濾波器可將PLC調制信號從開(kāi)關(guān)穩壓器中分開(kāi)。低通濾波器的Fc可根據PLC調制占用的頻帶進(jìn)行計算。由于PLC Lite占用42KHz到90KHz，因此在L=360μH(180μH + 180μH)和C=1μF時(shí)，該低通濾波器的Fc就為：

　　(3)可靠AC耦合的電力線(xiàn)耦合保護電路

　　APLC模擬前端(AFE)會(huì )受DC電源浪涌的影響。因此必須設計AC耦合級，PLC節點(diǎn)才能在惡劣環(huán)境中可靠工作。

　　圖7：第一級AC耦合

　　圖8：第二級AC耦合

　　為確保整體系統可靠性，DC線(xiàn)路不直接AC耦合至AFE器件。該線(xiàn)路會(huì )經(jīng)過(guò)兩級AC耦合流程(圖7、圖8)。在第一級中，DC線(xiàn)路先AC耦合至一個(gè)有TVS保護的中間級，這樣可針對43.5A的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在9.2V.在該級中共模偏向接地。在第二級AC耦合中，數據在7.5V DC偏置電壓下AC耦合至AFE器件。

　　參考設計

　　DC(額定24V)電力線(xiàn)通信(PLC)參考設計旨在作為評估板幫助用戶(hù)為工業(yè)應用開(kāi)發(fā)最終產(chǎn)品，充分利用該功能在同一DC電力線(xiàn)上實(shí)現電力傳輸與通信。該參考設計能夠以極小(大約1英寸的直徑)的工業(yè)尺寸為主從節點(diǎn)的硬件及固件設計提供完整的設計指南。設計文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium文件、光繪文件、帶應用層的完整軟件套件以及簡(jiǎn)單易用的圖形用戶(hù)界面(GUI)。

　　應用層不僅支持從節點(diǎn)，而且還支持主機處理器(比如PC或Sitara ARM MPU)的通信(圖9)。主機處理器只通過(guò)USB-UART接口與主節點(diǎn)通信。主節點(diǎn)隨后通過(guò)PLC與從節點(diǎn)通信。評估板(EVM)也提供簡(jiǎn)單易用的GUI(圖10)，其不僅通過(guò)主機處理器運行，而且還提供地址管理以及從節點(diǎn)狀態(tài)監控及用戶(hù)控制功能。

　　參考設計針對每個(gè)從節點(diǎn)的源阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，我們可將多個(gè)從設備連接至主設備。模擬前端(AFE)已經(jīng)添加了保護電路，能夠可靠AC耦合至24V線(xiàn)路。該參考設計的布局根據AFE031大電流線(xiàn)跡的布局要求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖9：參考設計的系統方框圖

　　圖10：GUI工具截圖

　　結論

　　在本文中，我們回顧了窄帶DC電力線(xiàn)PLC是各種工業(yè)應用聯(lián)網(wǎng)的有效工具的原因所在。該方案可充分發(fā)揮AC電力線(xiàn)應用的PLC在現有智能電網(wǎng)部署中的成功使用優(yōu)勢。支持PLC的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC電力線(xiàn)的連接也需要精心的設計考量，以確保系統能夠穩健地擴展至多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

　　為解決設計挑戰，幫助系統設計人員將DC電力線(xiàn)PLC成功運用于自己的應用，TI推出了一款基于TI模擬前端AFE031及C2000微控制器[2]的DC PLC參考設計[1].該參考設計配套提供完整系列的硬件設計文件、MCU固件、基于GUI的應用軟件以及極為詳盡的實(shí)驗室測試結果文檔。設計人員可輕松評估該平臺，有效構建自己的最終應用。