基于嵌入式系統的電力線(xiàn)載波通信接口設計

l 概述
作為世界上最大的網(wǎng)絡(luò )，電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的主要功能是輸送電能。但是，隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，基于電力線(xiàn)路的通信成為近年的熱門(mén)話(huà)題。利用電力線(xiàn)來(lái)實(shí)現通信對于電力自動(dòng)化系統設備之間的通信和現代電能計量管理將起重要作用，目前國內和國外都有一些成功的應用實(shí)例，現在應用較多的是基于電力線(xiàn)載波通信的自動(dòng)抄表系統。另外，對電能數據的采集和傳輸、對電力設備的監控和保護，以及電能的優(yōu)化調度等也可以借助電力線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現?；谳d波技術(shù)的電力線(xiàn)通信已成為目前電力系統智能化通信的發(fā)展方向之一。

2 電力線(xiàn)載波通信的方式和特點(diǎn)
電力線(xiàn)載波通信是電力系統特有的通信方式，它是利用現有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式高速傳輸模擬或數字信號的技術(shù)。由于使用堅固可靠的電力線(xiàn)作為載波信號的傳輸介質(zhì)，因此具有信息傳輸穩定可靠、路由合理等特點(diǎn)，是惟一不需要線(xiàn)路投資的有線(xiàn)通信方式。
電力線(xiàn)通信是先將數據調制成載波信號或擴頻信號，然后通過(guò)耦合器耦合到220 V或其他交/直流電力線(xiàn)甚至是沒(méi)有電力的雙絞線(xiàn)上。電力線(xiàn)載波通信不僅提供了實(shí)用的新興通信手段，而且具有現有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了良好的前景和巨大的市場(chǎng)潛力。
電力線(xiàn)通信的關(guān)鍵是如何保證在電力線(xiàn)上長(cháng)距離可靠通信。在電力線(xiàn)上通信存在以下問(wèn)題：電力線(xiàn)間歇性噪聲較大(某些電器的啟動(dòng)、停止和運行都會(huì )產(chǎn)生較大的噪聲)；信號衰減快；線(xiàn)路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等等。這些問(wèn)題使電力線(xiàn)通信非常困難。電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵是功能強大的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用電路。目前,采用PL2000A型電力線(xiàn)收發(fā)器(或調制解調器)等專(zhuān)用電路能提供較好的解決方案。

3 PL2000A簡(jiǎn)介
PL2000A是專(zhuān)為電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )設計的半雙工異步調制解調器，是PL2000型的升級產(chǎn)品。它由+5V單電源供電，用一種外部接口電路與電力線(xiàn)耦合。PL2000A除具備原有系統基本的通訊控制功能外，還內置5種常用功能電路：實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、32Bytes的SRAM、電壓監測器、看門(mén)狗定時(shí)器及復位電路,它們都通過(guò)標準的I2C接口與外部的微處理器相連，其中時(shí)鐘和32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3 V備用電池供電。PL2000A是特別針對我國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)的低壓電力線(xiàn)載波通信電路，信噪比及數據傳輸性能比PL2000有大幅度的提高，同時(shí)數據傳輸速率提升了一倍(500 b/s)。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、二相相移鍵控等新技術(shù)，還具有120 kHz的載頻，15 kHz的帶寬，0.5 mVrms(500 b/s)的接收靈敏度，15位偽碼長(cháng)度和可編程同步捕獲門(mén)限的功能，以及大規模數字/模擬混合0.5μm CMOS工藝，所以抗干擾、抗衰減性?xún)r(jià)比等更加突出。

4 擴頻通信的原理
擴頻通信技術(shù)是利用與欲傳輸數據(信息)無(wú)關(guān)的碼對被傳輸的信號擴展頻譜，使之占有遠遠超過(guò)被傳送信息所必需的最小帶寬，在接收機中利用同一碼進(jìn)行相關(guān)接收和恢復數據。從著(zhù)名的Shnaon公式可知，在白噪聲干擾條件下，通信系統的信道容量可用下式表示：

其中，B為信道帶寬，S為信號平均功率，N為噪聲平均功率，若白噪聲功率譜密度為No，則

對于干擾環(huán)境下的典型情況,S/N1，應用冪級數展開(kāi)，則可得：

這說(shuō)明對于給定的信道容量而言，既可用增大信道帶寬同時(shí)相應降低信噪比的辦法達到，又可以用減小信道帶寬同時(shí)相應增大信噪比的辦法來(lái)實(shí)現，也就是說(shuō)信道容量可以利用信道帶寬與信噪比的互換而保持不變。從理論上講，對于任意給定的信噪比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，就可以增加在信道中無(wú)誤差傳輸的信息速率。

5 電力線(xiàn)載波通信系統的設計原理
采用PL2000A的低壓電力線(xiàn)載波通信系統的原理框圖如圖1所示。該系統配合單片機完成數據在電力線(xiàn)通信線(xiàn)路的擴頻發(fā)射和擴頻接收。通過(guò)單片機的串口及電平轉換，還可與PC上位機通信。從圖l可以看出，該通信系統的硬件主要有電源、RS-232接口部分、單片機處理部分、載波接口部分(如載波信號接收、載波信號發(fā)射和載波信號預處理等)、單片機復位等接口電路。

在圖l中，作為電力線(xiàn)通信系統核心的PL2000A完成載波信號的接收和解擴，當然還需由其他部件(如圖2中的MC3361)完成載波信號預處理；載波擴頻發(fā)射由單片機控制，通過(guò)PL2000A完成擴頻編碼處理，再通過(guò)后續推動(dòng)電路完成擴頻載波信號的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式，由幀頭進(jìn)行同步，常態(tài)為載波接收模式。單片機接口提供單片機的復位信號、看門(mén)狗信號及載波收發(fā)控制信號。PL2000A具有與51系列單片機兼容的高電平復位信號，由PL2000A的RST端輸出。PL2000A可為單片機提供看門(mén)狗功能，看門(mén)狗計數器清零輸入端為WDI。當WDI端持續436 ms以上無(wú)高低電平變化時(shí)，將導致看門(mén)狗計數器溢出，使PL2000A的RST輸出復位高電平。

6 載波通信系統的軟、硬件設計
6.1 硬件設計
由PL2000A組成的低壓電力線(xiàn)載波通信系統的硬件設計如圖2所示，二極管D3、D4、D5、D6和三極管G1、G2、G3、G4組成功率放大電路，該電路將PL2000A產(chǎn)生的載波調制信號進(jìn)行功率放大后耦合到電力線(xiàn)上。D1、D2、D7、L2、Tl組成載波耦合接收電路。由功率放大電路放大后的信號波形富含諧波，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。由電感器L1與電容器完成整形濾波后，再通過(guò)耦合線(xiàn)圈T1耦合到低壓電力線(xiàn)上，雙向二極管D7起保護作用。由MC3361對載波信號進(jìn)行預處理后送到PL2000A的Sin端。
6.2 軟件設計
通信軟件設計包括單片機與PL2000A通過(guò)FC接口的通信及PL2000A的載波信號接收和發(fā)射。單片機通過(guò)I2C接口從PL2000A讀多字節數據的過(guò)程如圖3所示，這個(gè)過(guò)程是主器件(單片機)讀取PL2000A內任意地址的寄存器內容，要完成這種方式的讀操作需要首先設置片內地址指針寄存器，這可通過(guò)將地址字節作為寫(xiě)操作的一部分送給PL2000A來(lái)完成。發(fā)送了地址字節后，主器件在確認位后面立即產(chǎn)生起始位，用這種方式結束寫(xiě)操作并開(kāi)始另一次讀操作。主器件再次發(fā)出器件代碼，并使R/W位為“1”，PL2000A將發(fā)出確認位并隨后發(fā)送由上次地址寫(xiě)操作設置的地址指針尋址的8位數據字節，然后主器件不確認傳遞(產(chǎn)生NACK)，再產(chǎn)生停止位結束本次操作。

以下是單片機通過(guò)I2C接口從PL2000A讀多字節數據的部分代碼：

7 結束語(yǔ)
由于PL2000A采用擴頻方式通信，因此在很多領(lǐng)域都可以推廣和應用，如載波抄表(水，電，氣表)、電網(wǎng)管理、家庭自動(dòng)化(網(wǎng)絡(luò )家電，家用電火警及安全防范系統、計算機終端接口及載波電話(huà)等。