電力載波通信控制終端設計

電力線(xiàn)載波（plc）通信是指利用現有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式將模擬或數字信號進(jìn)行傳輸的技術(shù)。然而，以下缺點(diǎn)導致plc的主要應用——“電力上網(wǎng)”未能大規模應用。

配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用；

三相電力線(xiàn)間有很大信號損失（10～30db）；

不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同；

電力線(xiàn)存在固有的脈沖干擾；

電力線(xiàn)對載波信號造成高削減。
技術(shù)問(wèn)題未來(lái)有可能被克服，但是從目前國內寬帶網(wǎng)建設的情況來(lái)看，留給plc的時(shí)間和空間并不寬裕。家庭智能系統的研究給plc帶來(lái)了新的機遇。該系統以pc為核心實(shí)現家電的智能控制。因為數據僅在家庭范圍傳輸，束縛plc應用的五大困擾將不復存在，遠程對家電的控制我們也能通過(guò)傳統網(wǎng)絡(luò )先連接到pc然后再控制家電方式實(shí)現。該系統中要求家電與pc通過(guò)電力線(xiàn)通信終端連接完成數據傳輸功能，該終端技術(shù)上要求能夠在電力線(xiàn)環(huán)境下穩定傳輸數據，具有較強抗干擾能力。

本文所介紹的系統通過(guò)擴頻通信技術(shù)來(lái)克服干擾，采用sc1128設計電力載波通信控制終端,載波頻率為250khz，帶寬為100khz，4周波調相，數據速率1kb/s，可實(shí)現低壓電力線(xiàn)的通信功能。

電力載波modem芯片的選擇

國外較早對電力線(xiàn)載波通信技術(shù)進(jìn)行了研究，多家公司推出了自己的電力線(xiàn)載波modem芯片。目前市場(chǎng)上先進(jìn)的電力載波modem（調制/解調）芯片主要有intellon公司的sscp300芯片和echelon公司的plt-22芯片。其中sscp300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。但sscp300在國內電力線(xiàn)載波領(lǐng)域使用效果并不理想。其主要原因是該芯片是按北美地區的電網(wǎng)特性和頻率標準設計的。而plt-22主要針對工業(yè)控制網(wǎng)而設計，采用bpsk調制解調技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，所以目前在我國應用效果最理想。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)大規模推廣。 在該系統中我們選擇由北京智源利和微電子技術(shù)有限公司設計開(kāi)發(fā)的電力線(xiàn)載波調制芯片sc1128，該芯片專(zhuān)門(mén)針對中國低壓電網(wǎng)特性而設計，是一款適合中國低壓電網(wǎng)特性的數據傳輸專(zhuān)用芯片。該芯片采用cmos技術(shù)設計的數?；旌蠈?zhuān)用電路，應用先進(jìn)的擴頻通信技術(shù)和調制解調技術(shù)，是面向低壓電力線(xiàn)低速率通信市場(chǎng)需要的專(zhuān)用擴頻modem芯片。相對前面介紹的兩款芯片，sc1128價(jià)位較低，可以為民用市場(chǎng)所接受。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術(shù)，該芯片應用在電力線(xiàn)通信方面具有較強的抗干擾及抗衰減性能。其電路內部集成了擴頻器、dac和adc、輸出驅動(dòng)器、輸入信號放大器、工作電壓檢測器、看門(mén)狗電路、串/并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統應用中可以降低系統的成本，提高系統的性能。其發(fā)射信號以?xún)煞N形式輸出：一種是經(jīng)dac后從正弦緩沖器輸出，諧波成分少；另一種從高壓開(kāi)漏緩沖器輸出。該芯片含有的輸入信號放大器可對輸入信號進(jìn)行前置放大；內置看門(mén)狗電路監視系統程序的工作狀態(tài)；內置電壓監測器可監測電源電壓的變化，并及時(shí)向系統發(fā)出報警信號；內置電子表電路（24小時(shí)制）可滿(mǎn)足不同時(shí)間段計費率的要求（支持掉電工作）；內置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與mcu之間的控制命令和數據交換；采用63位擴頻碼，數據速率典型值為6.0kb/s（最大20kb/s）；捕獲門(mén)限值200～6290，由軟件設定；內置64×8 sram存儲器（支持掉電工作），為系統提供數據暫存。

系統硬件設計

1 系統硬件結構

本系統硬件結構主要包括電力線(xiàn)耦合部分、信號接收電路部分、信號發(fā)射電路部分、電力線(xiàn)信號調制/解調部分、單片機控制部分及數字信號接口部分(包括鍵控接口和串行通信接口)。硬件結構框圖和電路圖如圖1、圖2所示。

耦合電路是載波信號的輸出和輸入通路，并起隔離220v/50hz工頻的作用。該電路設計時(shí)需考慮電力線(xiàn)路側的阻抗特性，圖2中t5為信號耦合變壓器，電力線(xiàn)路側阻抗一般取3～30ω。然后確定線(xiàn)圈初次級的匝數比或阻抗比，本設計取12/21，最后設計功率放大器的輸出匹配電阻。輸入通道接一個(gè)浪涌保護二極管tvs，經(jīng)電阻隔離后接二極管鉗位電路輸出給接收電路部分的前級濾波器。變壓器t5實(shí)現了高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高（100～400khz），遠遠大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號暢通無(wú)阻，而能夠隔斷高壓。電容c8阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻r5取值可稍大些，本設計中取1mω，作用是在離線(xiàn)時(shí)使電容放電，防止在設備插頭的兩端出現高壓。tvs是瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。d1、d2也是為防止高壓擊穿放大電路而設計的。電力線(xiàn)上的設備接入或者是斷開(kāi)，都有可能引起尖峰脈沖，并導致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護措施是至關(guān)重要的。除了電力線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當設備剛剛接上電源時(shí)，如果電力線(xiàn)剛好處于電壓的最大值，而此時(shí)電容上的電壓為0，會(huì )有300v（220v有效值，最大值311v）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當大，可達幾十安培到上百安培，采用一般的穩壓管無(wú)法消除這個(gè)脈沖。壓敏電阻的響應比較緩慢，在出現脈沖的1μs之內仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實(shí)驗表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當大。但是它的電流雖然很大，能量卻不是很大。采用瞬變抑制二極管1.5ke6.8ca響應時(shí)間是5ns，能夠吸收200a電流，瞬態(tài)功率可達1500w?？梢院?jiǎn)單地把它看作一個(gè)具有強大吸收電流能力的穩壓二極管，但它的動(dòng)態(tài)電阻比較大，所以還需要d1和d2這兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)一步把電壓鉗位在電源電壓左右。

3 信號接收部分電路設計

信號接收部分設計包括前級濾波器設計與增益放大器設計。濾波器為帶通濾波器。其作用一方面將帶外雜波濾除，另一方面保證前后級之間的阻抗匹配，以達到順利傳遞信號的目的。由于主晶振的工作頻率不同，載頻也不同；調制周波數和數據傳輸速率不同，帶寬也不同。因此，濾波器的參數在主晶振頻率不同時(shí)也將有所變化的。這部分電路設計值與本終端適應，數據速率1kb/s、四周波調制、250khz載頻，帶寬為100khz（200～300khz）。這部分增益放大的目的是將濾波后的信號不失真的放大75倍以上，以達到本級增益30db以上的要求。需特別注意小信號的不失真。

4 信號發(fā)射電路部分設計

信號發(fā)射部分主要為功率放大電路設計。此級功率放大是將sc1128第24腳的高壓開(kāi)漏輸出轉換成功率輸出。該腳輸出時(shí)應接一個(gè)不小于1kω的上拉電阻，其灌入電流不要超過(guò)4ma，并有不低于3v峰-峰的信號電壓輸出。功率放大器本身工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于正常地發(fā)射時(shí)間很短，所以在選擇三極管參數時(shí)應該注意其功率參數(測試時(shí)應注意工作時(shí)間不能太長(cháng)，以避免損壞功率放大器的輸出三極管，整板測試時(shí)可以串一個(gè)電阻，不過(guò)此時(shí)輸出波形和功率將受影響)。

5 sc1128與微控制器接口

系統微控制器采用w77e58,它是中國臺灣的華幫電子公司（winbond）推出的高速、高集成、增強型mcs-51系列高性能單片機，是一個(gè)快速、高性能、功能豐富、高集成度的8位8051兼容微控制器，適合各種智能控制系統開(kāi)發(fā)。sc1128的第28腳為電路二分之一主晶振輸出（其峰-峰值約為4v），近似正弦波，該系統中主晶振為16mhz，且單片機晶振由28腳引入，即單片機晶振頻率8mhz；32腳為電壓監測端，該端需接5kω上拉電阻與5v電源相接；33腳為看門(mén)狗輸入端，正常工作時(shí)應該在768ms內產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門(mén)狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出1/3占空比的復位脈沖；35腳為電源報警輸出端，與32腳電源監測輸入端配合使用，當電源監測輸入端監測到的電源信號低于監測值時(shí)，輸出為低電平。當電源監測輸入端監測到的電源信號高于監測值時(shí)，輸出為高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳發(fā)送和接收數據；39腳為設置數據及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設置時(shí)鐘輸入端,使sc1128芯片與單片機信號同步；41腳為片選輸入端,低電平芯片使能，為保證芯片正常工作，在設計中將其接5.1kω上拉電阻。數據收發(fā)流程如下：發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機將sr端（36腳）置高，scl128芯片發(fā)出同步頭（37腳），單片機通過(guò)tx端（38腳）同步發(fā)送數據；接收狀態(tài)時(shí)，單片機將sr端（36腳）置低，scl128芯片若接收到數據，則產(chǎn)生同步頭，通過(guò)tx端（38腳）將數據同步發(fā)送到單片機。sc1128與w77e58的連接如圖3所示。

該系統軟件流程如圖4所示,其中對sc1128芯片參數設置是程序關(guān)鍵部分，直接決定系統通信的信號收發(fā)過(guò)程及通信速率。

由于控制字的地址a5～a0只有6位，因此可尋址范圍是64。sc1128芯片電路內部實(shí)際上只有60x8位sram，其地址范圍000000～111011。另4字節分別是保留寄存器、工作狀態(tài)寄存器、內部電子表的低8位和高8位。對電路內部60x8位sram的讀寫(xiě)操作同樣是按照圖5的格式先給出地址再給出讀或寫(xiě)操作位和空操作，最后給出寫(xiě)入sram的數據或讀出sram內的數據。sram支持掉電工作方式，若系統出現掉電情況則在芯片vddt電源端的維持下可以保持sram內的數據不丟失。因此可為小型應用系統提供數據暫存，避免系統意外掉電而丟失一些關(guān)鍵數據。其中地址為111101工作狀態(tài)寄存器的每一位分別控制著(zhù)電路不同的工作狀態(tài)，具體格式如圖6所示。

通信測試

實(shí)際通信測試系統包括一對結構完全相同的信號發(fā)送板和信號接收板，通過(guò)220v低壓電力線(xiàn)相連,兩板連接時(shí)零線(xiàn)與零線(xiàn)接,火線(xiàn)與火線(xiàn)接。發(fā)送板通過(guò)板上按鍵開(kāi)關(guān)或串行口發(fā)送不同控制數據,控制接收板led顯示不同數據或通過(guò)串口讀出所發(fā)送數據。經(jīng)試驗室檢測該系統能夠實(shí)現正確的通信功能。在實(shí)際應用中要注意發(fā)收雙方的通信速率一致，即周波數要一致，另外門(mén)限值只對接收一方有意義，門(mén)限值的高低將影響到通信的誤碼率，但并非是門(mén)限越高就一定越好。要根椐通信情況和相應的速率適當選擇。