基于低壓電力線(xiàn)的載波模塊設計

作者 / 李照彬 林宏 謝嘉倍

　　廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院(廣東 廣州 510006)

摘要：由傳統的高壓電力線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展而來(lái)的低壓電力線(xiàn)載波通信技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注，低壓電力線(xiàn)載波通信技術(shù)是利用現有的電力線(xiàn)作為信號傳輸信道來(lái)實(shí)現一對一、一對多或多對多的通信技術(shù)。選擇有效的方案實(shí)現電網(wǎng)中的通信至關(guān)重要，本設計通過(guò)建立低壓電力線(xiàn)載波模塊系統模型，設計了基于HLPLCS521F的低壓電力線(xiàn)載波模塊。在完成本設計硬件部分的理論分析后，進(jìn)行相關(guān)的測試，并對測試結果做進(jìn)一步的分析，實(shí)現了利用低壓電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸的目的。通過(guò)在實(shí)驗室和現場(chǎng)環(huán)境中測試了其通信效果，該載波模塊設計方案具有較高的信號保真度和抗噪聲能力。

　　當前，電力載波通信技術(shù)在以高壓電力線(xiàn)為通信載體方面已經(jīng)取得了成效，且應用領(lǐng)域非常廣泛。近幾年來(lái)，電力線(xiàn)載波技術(shù)不斷發(fā)展，在中、低壓技術(shù)方面也有了很好的提高，不僅能夠提高供電部門(mén)抄表系統的運行可靠性，提高電力系統的經(jīng)濟效益，還可以擴展到其他行業(yè)，如電力、交通、銀行、消防、商場(chǎng)等各個(gè)領(lǐng)域服務(wù)，這將產(chǎn)生具有巨大的社會(huì )和經(jīng)濟效益。通過(guò)對國內外低壓電力線(xiàn)載波技術(shù)的了解和研究，了解到電力線(xiàn)載波通信技術(shù)利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，不需要重新布線(xiàn)，信號不會(huì )因為通過(guò)建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，成本相對較為低廉等，于是搭建出一個(gè)實(shí)際的、以HLPLCS521F為核心的低壓電力載波通信模塊實(shí)現數據傳輸，并對模塊的通信性能進(jìn)行了測試。

1 載波芯片

　　本模塊所使用的調制解調芯片是HLPLCS521F，HLPLCS521F是一顆為電力線(xiàn)載波通訊設計的FSK調制與解調芯片，芯片內部集成高速數字信號處理器和FSK調制解調器，解調器具有強的抗干擾性能，可適應各種復雜的電力線(xiàn)信道環(huán)境。

　　模塊可以在過(guò)零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換，且串口通訊速率可選、偶校驗和無(wú)校驗可選。芯片采用TSSOP20封裝，其引腳圖如圖1所示。

　　Zset用于設置發(fā)送模式，若該引腳上拉至高電平，則為正常發(fā)送模式，若直接接地則為過(guò)零發(fā)送模式;U_Eset用于設置串口校驗方式，若該引腳上拉至高電平，則為偶校驗，若直接接地則為無(wú)校驗;U_Bset0、U_Bset1兩個(gè)引腳配合完成串口通訊速率的設置，若為00則通訊速率為1200，若為01則通訊速率為2400，若為10則通訊速率為4800，若為11則通訊速率為9600。通訊格式設置只在上電(復位后)設置有效，模塊正常工作后不能再對其設置更改。

　　軟件采用模糊算法，即使傳輸信號被干擾或丟失達40%，也能準確還原出原載波信號、通訊穩定、抗干擾能力超強，配合外圍電路，即可設計出高性能、高穩定度、高靈活度的載波通訊模塊。

　　本設計利用該芯片配置的靈活性將通訊速率配置引腳、校驗方式配置引腳、發(fā)送模式配置引腳引出，以實(shí)現自由配置需要的設置，既方便調試模塊，又能根據電力線(xiàn)環(huán)境不同改變相應的設置以達到最好的通訊效果。

2 低壓電力線(xiàn)載波模塊硬件電路設計

2.1 系統整體結構

　　低壓電力線(xiàn)載波通信的原理結構有信源、信道、信息的收發(fā)端以及相應的接口電路等，其中信道是低壓電力線(xiàn)。采用模塊化設計，微控制器發(fā)出的數據通過(guò)通信串口經(jīng)電力線(xiàn)載波模塊發(fā)送至電力線(xiàn)上，而模塊從電力線(xiàn)上接收到的信息可以通過(guò)通信串口發(fā)送給微控制器，以實(shí)現對接收的數據進(jìn)行處理，完成載波通道通信過(guò)程。低壓電力線(xiàn)載波模塊系統框圖如圖2所示。

　　由圖可知電力線(xiàn)載波通信系統信息傳遞的過(guò)程為：微控制器提供信息→通信接口電路→信號調制→電力線(xiàn)接口→電力線(xiàn)→電力線(xiàn)接口→信號解調→通信接口電路→微控制器處理信息。其中通信接口電路為串口電路，信號的調制解調芯片為HLPLCS521F。由此可知，一個(gè)低壓電力線(xiàn)載波通信系統的搭建需要兩塊模塊進(jìn)行配合：一塊起發(fā)送作用，一塊起接收作用。

2.2 硬件結構設計

　　載波芯片與電壓電網(wǎng)相連需經(jīng)耦合電路，所以在該接口電路的功能設計上，必須要有耦合功能。除此之外，為減小各種干擾信號的影響，需增加濾波功能;還有為提高傳輸距離，需考慮增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，還需加設必要的保護功能。綜上考慮，設計出芯片HLPLCS521F與低壓電力線(xiàn)相連的接口電路框圖如圖3所示。

　　發(fā)送信號的過(guò)程從芯片HLPLCS521F的FSK_OUT引腳輸出后，需經(jīng)過(guò)功率放大環(huán)節以及耦合保護窄帶濾波環(huán)節; 而信號接收過(guò)程從低壓電力線(xiàn)輸入后，經(jīng)耦合保護窄帶濾波環(huán)節和電壓放大后，傳入芯片FSK_IN腳，這兩個(gè)環(huán)節在整個(gè)過(guò)程中都在工作。

2.2.1 耦合保護窄帶濾波

　　耦合保護窄帶濾波電路采用1mH：1mH的耦合變壓器，信號經(jīng)過(guò)中心頻率為72k的 LC選頻網(wǎng)絡(luò )，即可得到頻率高達72k的方波信號。其載波通訊口可直接抵御靜電、群脈沖和浪涌的沖擊。

2.2.2 發(fā)送功率放大

　　發(fā)送功率放大電路是由CJ3406和CJ3407配合實(shí)現的。從芯片的FSK_OUT引腳出來(lái)的信號為中心頻率為72KHz，幅值為5V的方波信號，其高低電平使P 溝道 Mos 管和 N 溝道 Mos 管分別導通，使得電壓幅值提高到幅值為VPLC的方波信號，之后經(jīng)濾波器將方波轉換成正弦波信號FSK_DATA。

2.2.3 接收電壓放大

　　接收電壓放大電路中起主要作用的是OP37。

　　前端采用 RLC 帶通濾波器設計，中心頻率為72k，之后信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器后進(jìn)入到運放OP37進(jìn)行放大，將正弦小信號放大整形成方波信號經(jīng)FSK_IN引腳給載波芯片解析。測試發(fā)現，OP37有著(zhù)很高的轉換率，能完美的放大信號且信號不失真。

2.3 模塊應用

　　在完成本設計硬件部分的理論分析后，進(jìn)行實(shí)物制作并測試。

　　制作完成的模塊體積小，具有配置引腳，只需短接焊點(diǎn)即可使用該模塊，十分方便。模塊制作完成之后，分別對該模塊進(jìn)行了一對一、一對多的實(shí)際應用，模塊表現出色，未出現異常。

3 軟件設計

　　低壓電力線(xiàn)載波通信系統的軟件流程圖如圖4所示。由圖4可知，其軟件工作流程如下:

　　首先系統通電開(kāi)始進(jìn)行端口的初始化工作，再對用戶(hù)設置的波特率、幀長(cháng)和信號通信方式等進(jìn)行檢測，再根據其檢測結果發(fā)送載波芯片中控制寄存器的控制字;然后開(kāi)始從電力線(xiàn)接收數據的工作，這時(shí)可分兩種情況分析: 第一種情況是當FSK載波信號檢測到時(shí)，就可進(jìn)入信號數據接收狀態(tài);第二種情況，當檢測中條件不滿(mǎn)足時(shí)，則即刻進(jìn)入信號數據發(fā)送狀態(tài)，如果沒(méi)有數據待發(fā)送，則繼續返回檢測是否有載波信號出現。

4 測試試驗及引腳波形圖

　　為測試模塊的信號保真度，進(jìn)行了測試試驗。

　　利用串口助手每隔1300ms向模塊1發(fā)送一次數據(該試驗中為0xFE)，如圖5所示。此時(shí)觀(guān)察FSK_OUT引腳的波形圖如圖6所示。觀(guān)察FSK_DATA引腳的波形圖如圖7所示。之后，該信號經(jīng)耦合電路發(fā)送到電力線(xiàn)上，此時(shí)使用模塊2從電力線(xiàn)上獲取該信號，得到FSK_DATA引腳波形圖如圖8所示。而FSK_IN引腳波形圖如圖9所示。通過(guò)串口助手觀(guān)察模塊接受到的數據是否發(fā)生失真，如圖10所示。

　　可見(jiàn)未發(fā)生數據失真現象，經(jīng)長(cháng)時(shí)間測試，并使用其他數據進(jìn)行測試，未出現異常，買(mǎi)塊表現良好，信號保真度極高。

5 結論

　　本文設計了基于低壓電力線(xiàn)的載波模塊，該模塊集成度高，工作可靠，有較高的接收靈敏度和抗干擾能力，通信速度較快，且保真度高。利用本文設計的低壓電力線(xiàn)載波模塊，成功實(shí)現了基于電力線(xiàn)的一對多的遠程控制系統設計、一對多的遠程數據傳輸功能，而且系統穩定，通過(guò)獲取電力線(xiàn)上采集到的數據進(jìn)行分析，發(fā)現幾乎未出現失真現象，可見(jiàn)該系統保真度高。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，低壓電力載波通信在信息傳輸的有效性和可靠性上已有了很大的改善。電力網(wǎng)絡(luò )是目前覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò )，有著(zhù)巨大的潛在利用價(jià)值，目前國外都在致力于推廣其應用范圍，我國電力系統擁有遍及全國各個(gè)角落的網(wǎng)絡(luò )資源，為實(shí)現用戶(hù)接入系統提供了便利條件，在家居自動(dòng)化、家用電器控制等方面，該技術(shù)有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢可見(jiàn)這項技術(shù)發(fā)展空間尤為廣闊。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。