安森美半導體電力線(xiàn)載波芯片的特點(diǎn)及其應用

一、配電線(xiàn)通訊

中低壓交流配電線(xiàn)用于電能的輸送同時(shí)，也可作為傳輸介質(zhì)實(shí)現數據通訊。電力線(xiàn)載波通訊（PLC）技術(shù)就是通過(guò)載波方式將模擬或數字信號在配電線(xiàn)上進(jìn)行高速傳輸的技術(shù)。用電力線(xiàn)作為數據傳輸介質(zhì)，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，相對較為低廉的成本，使這項技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。

圖1就是PLC技術(shù)典型的應用案例——遠程電表自動(dòng)抄表系統的示意圖。

電表通過(guò)電力線(xiàn)與集中器進(jìn)行數據交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò )的核心管理者。它負責網(wǎng)絡(luò )管理、數據集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過(guò)上行線(xiàn)路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數據交換和信息傳遞。一臺集中器可管理幾十至幾百只電表。

在這個(gè)系統中，集中器會(huì )按照設定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運行數據，并把數據傳送給主站，實(shí)現自動(dòng)遠程集中抄表。

1.1 EDF項目

當今世界上許多國家都已采用或即將部署智能電表系統并采用自動(dòng)遠程集抄方式。目前備受關(guān)注的就是法國ERDF的Linky電表項目。

歐盟最大的電力配電網(wǎng)運營(yíng)商，法國電力集團（EDF）的子公司--法國電網(wǎng)輸送公司（ERDF）已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)涉及總數量3500萬(wàn)只電表的項目。該項目從2012年至2017年，將把法國國內的傳統電表統一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線(xiàn)載波（PLC）技術(shù)。

項目對PLC的主要技術(shù)要求如下：

物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1

調制方式：S-FSK

通信載波頻率：Fm (傳號頻率)：63.3KHz；Fs(空號頻率)：74KHz

通信速率：2400 Baud

物理層與電力線(xiàn)50Hz同步

應用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511

1.2安森美半導體與PLC通訊

安森美半導體針對低/中壓電力線(xiàn)上數據通訊而研發(fā)了S-FSK PLC Modem，在工業(yè)現場(chǎng)已有超過(guò)8年的成功應用。Modem是采用S-FSK調制方式的窄帶PLC收發(fā)器，是目前唯一經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗證的器件。

產(chǎn)品從早期的AMIS-30585發(fā)展到如今第二代產(chǎn)品AMIS-49587。

AMIS-49587完全滿(mǎn)足ERDF的技術(shù)要求，已被Linky智能電表供應商選中作為PLC通信的核心器件。

下文中，結合EDF Linky電表項目的需求，介紹AMIS-49587的特點(diǎn)。

二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發(fā)器

2.1 Linky電表OSI層參考模型：

Linky項目采用3層網(wǎng)絡(luò )結構：

- 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標準。

- 數據鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標準

- 應用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標準

AMIS-49587最突出的特點(diǎn)在于其作為PLC收發(fā)器除了完成物理層S-FSK信號的收發(fā)、調制解調外，還向上包含了MAC子層的處理。這個(gè)特點(diǎn)使用戶(hù)得以把更多的精力放在應用層的開(kāi)發(fā)。通過(guò)AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層（LLC Layer）數據包的交換，底層的幀頭、幀校驗等都會(huì )被自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶(hù)軟件開(kāi)發(fā)方面的工作量。

2.2 物理層采用優(yōu)化的 S-FSK

電力配電線(xiàn)并不是為信號傳送而專(zhuān)門(mén)設計的，它的阻抗處于隨時(shí)變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對電力線(xiàn)特殊情況具有良好的通訊效果。

FSK（頻移鍵控）是經(jīng)典的實(shí)現成本較低的頻率調制方式：利用兩個(gè)獨立的載頻傳送二進(jìn)制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個(gè)頻率盡可能遠離，（>10KHz）使兩個(gè)頻率傳輸質(zhì)量相對獨立，以更好的應對電網(wǎng)中常見(jiàn)的窄帶干擾的影響。

圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個(gè)載頻的接收信號信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號頻率）和f1（傳號頻率）產(chǎn)生兩個(gè)解調信號-dS和dM，如果dS>dM，認為收到數據“0”；反之認為是數據“1”，這種情況接收器工作在FSK模式；如果遇到窄帶干擾使其中一個(gè)載頻下的信噪比很差時(shí)，接收器將忽略這個(gè)信道，用另一個(gè)較好信道的解調信號與一個(gè)內部閾值T作比較來(lái)決定收到“1”還是“0”。此時(shí)接收器工作在幅移鍵控ASK模式。

此外，Modem內部處理器的解調算法尤為重要。其對接收靈敏度影響很大。Linky項目要求接收機在S-FSK信號有效值2mV至2V內都可正常識別。

靈活的調制解調模式、先進(jìn)可靠的解調算法使AMIS-49587具有優(yōu)異的抵抗電力線(xiàn)上干擾的性能。

2.3 物理層幀格式

AMIS-49587按照IEC61334-5-1物理幀格式來(lái)傳送數據。

2.4 MAC幀與物理幀

物理幀以時(shí)間片（或稱(chēng)時(shí)隙，Time Slot）為發(fā)送間隔。幀起點(diǎn)被稱(chēng)為時(shí)間片指示器Slot indicator，這一點(diǎn)對應電力線(xiàn)電壓50Hz的過(guò)零點(diǎn)?？蛻?hù)端（Client，也就是主機）必須在過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送物理幀。IEC61334-5-1的整個(gè)系統都是以時(shí)間片為同步依據的，了解這一點(diǎn)十分重要。

以2400bps速率為例，傳送1個(gè)時(shí)間片或物理幀的時(shí)間需要150mS。

物理幀由前導碼Preamble、起始子幀定界符Start Subframe. Delimiter、MAC子幀(Data)和暫停域Pause組成。

物理幀總是起始于基本時(shí)間片的整數倍，這時(shí)刻稱(chēng)作時(shí)間片指示器。在時(shí)間片同步后，每個(gè)裝置的物理層就可以通過(guò)它的內部時(shí)鐘獨立地跟蹤時(shí)間片指示器。

前導碼和起始子幀定界符（AAAAh和54C7h）具有重要意義。接收方可以在接收這4個(gè)字節期間：

1） 調整確定接收增益

2） 測量信噪比

3） 確定解調方式 FSK 或ASK

4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開(kāi)始

5） 調整服務(wù)器（Server，也就是從機）與客戶(hù)端（Client）同步

如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發(fā)送。一個(gè)物理幀有38個(gè)字節數據域，一次可以發(fā)送一個(gè)MAC子幀。長(cháng)MAC幀可以由多達7個(gè)MAC子幀組成。有多個(gè)MAC子幀的長(cháng)MAC幀會(huì )被拆分成幾個(gè)子幀，由相應數量的物理幀順序發(fā)送。接收方全部接收后，再把它們整合起來(lái)。

MAC幀頭Header由子幀數、初始可信值IC、當前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長(cháng)度Pad Length組成?？尚胖档氖褂脮?huì )在后面中繼的章節中詳細介紹。LLC幀作為數據被包含在MAC幀中。

三、安森美半導體PLC解決方案

方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

PLC信號的發(fā)送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調制出的S-FSK信號經(jīng)過(guò)NCS5650進(jìn)行放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線(xiàn)上。變壓器實(shí)現電壓變換和阻抗匹配，也用于強弱電的隔離。NCS5650除了對信號進(jìn)行功率放大外，其兩級運放的結構還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對電力線(xiàn)接入設備有嚴格限制的歐洲，只有增加類(lèi)似的濾波器，才能夠保證系統對電力線(xiàn)的高頻干擾注入滿(mǎn)足EN 50065規范的要求。

藍色箭頭標注出了接收路徑：變壓器從電力線(xiàn)耦合過(guò)來(lái)的信號經(jīng)過(guò)AMIS-49587內置放大器構成的低通濾波器在內部ARM進(jìn)行FSK解調分析。

圖6中黑色箭頭是50Hz的過(guò)零檢測信號引腳。系統依靠這個(gè)信號進(jìn)行同步定時(shí)。

圖中藍色虛線(xiàn)框內是電表內的應用處理器，負責通訊應用層處理及計量。其與PLC Modem的接口是簡(jiǎn)單的SCI串行口。

方案的供電十分簡(jiǎn)單：一路12V--供給線(xiàn)路放大器，用于驅動(dòng)PLC信號耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。

3.1 AMIS-49587功能框圖

我們再了解一下AMIS-49587的內部結構。

AMIS-49587的核心是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運行S-FSK調制解調的算法，同時(shí)也管理著(zhù)與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲存在片內ROM中。

芯片左邊是模擬部分：FSK信號合成輸出、接收解調以及系統時(shí)鐘和50Hz的鎖相環(huán)。

芯片包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數字部分。變壓器驅動(dòng)由于是功率放大部分成為收發(fā)器板上的發(fā)熱源。為了防止高熱可能給系統精度帶來(lái)影響，AMIS-49587并沒(méi)有把信號的功率驅動(dòng)納入這顆IC中，而是采用外置方案。

3.2 獨特的系統中繼方案

在網(wǎng)絡(luò )通訊中，長(cháng)距離的信息傳送需要中繼來(lái)實(shí)現。安森美半導體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進(jìn)行中繼。在這種中繼方案中，系統沒(méi)有需要預先設定的中繼器Repeater。其核心理念是每一個(gè)服務(wù)器端（即電表）都可以是其它服務(wù)器的Repeater，幫助把信息或命令接續