基于ST7538的電力線(xiàn)載波通信模塊的設計

　　低壓配電網(wǎng)是一個(gè)用戶(hù)最多，分布最廣的一種能源傳輸網(wǎng)絡(luò )，電力線(xiàn)載波通信是利用現有的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息傳輸的一種通信方式。它可用于電力管理、照明控制、加熱制冷系統控制、遠程抄表、報警系統及智能化小區。利用電力線(xiàn)作為通信媒介的優(yōu)勢在于,無(wú)須重新布線(xiàn)、維護方便、大大節省通信成本。本文設計了一套基于調制解調模塊ST7538和ATmega88V單片機的電力線(xiàn)載波通信模塊。

　　系統總體設計

　　根據低壓電力線(xiàn)載波通信的系統原理，給出了整個(gè)系統的總體設計，如圖1所示。本電力線(xiàn)載波通信節點(diǎn)模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號處理部分、電源電路部分和電力線(xiàn)接口部分。

圖1 低壓電力線(xiàn)載波通信的系統原理

　　硬件設計

　　1 微控制器的選擇

　　微控制器是系統的控制核心,它負責整個(gè)系統中任務(wù)的協(xié)調與調度。為克服電力線(xiàn)上存在信號衰減大、時(shí)變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，但這可能加大算法的復雜程度導致運算速度降低。綜合考慮成本和運算能力之后，微處理器選用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器 ATmega88V，它的具體參數及特點(diǎn)詳見(jiàn)產(chǎn)品手冊。

　　2 調制解調芯片的選擇

　　信號調制與解調以及對信號的自適應平衡放大、濾波及與微控制器的通信等功能由電力線(xiàn)載波芯片完成。電力線(xiàn)接口則起到耦合、隔離、濾波與保護的功能。

　　由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號調制解調芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而設計的半雙工、同步/異步、FSK調制解調器芯片,具有功能強大、集成度高、抗干擾技術(shù)多等特點(diǎn)，已在電力載波通信中比較廣泛的應用。

　　ST7538 通過(guò)串行接口與主控制器交換數據。由于在方案設計中ATmega88V的USART用來(lái)和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機的接口采用其通過(guò)串行接口與 ATmega88V的串行外設接口SPI相互通信來(lái)實(shí)現。ATmega88V的串行外設接口SPI具有全雙工、3線(xiàn)同步數據傳輸、主從及操作等特點(diǎn)。在本方案設計中采用ST7538做主機，ATmega88V做從機，由ST7538提供數據同步傳輸時(shí)鐘。

　　3 電源芯片的選擇

　　由于整個(gè)系統中主要芯片（ST7538,ATmega88V）的工作電壓分別是12V和5V，系統總功率不超過(guò)2W，所以我們選用LM2596 作為電源芯片。LM2596開(kāi)關(guān)電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，具有非常小的電壓調整率和電流調整率，具有3A的負載驅動(dòng)能力，LM2596 能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調節的可調電壓輸出方式，輸入電壓達到36V。LM2596 應用時(shí)比較簡(jiǎn)單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個(gè)），內置頻率補償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率為52kHz，所以應用時(shí)可以使用小尺寸的濾波元件。它可以高效地取代一般的三端線(xiàn)性穩壓器，能夠充分減小散熱片的面積。在規定的輸入電壓和輸出負載的條件下，LM2596 輸出電壓的誤差范圍為±4%；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10%；典型的待機電流為50μA，芯片內置過(guò)流保護電路和過(guò)熱保護電路。所以在設計中選用了兩片LM2596分別做兩個(gè)支路輸出5V和12V。此外，在PCB設計時(shí)考慮到開(kāi)關(guān)電源芯片會(huì )產(chǎn)生很強的電磁波輻射，所以盡量遠離調制解調電路及濾波電路，以免對載波信號造成干擾。

圖2 LM2596電源模塊電路原理

　　4 電力線(xiàn)接口電路設計

　　實(shí)現優(yōu)質(zhì)高效的電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵在于所選用的載波調制解調模塊和相應的接口電路。電力線(xiàn)接口電路將調制解調部分和電力線(xiàn)耦合,實(shí)現信號在電力線(xiàn)上的傳輸。通信過(guò)程要求這個(gè)接口電路在發(fā)送信號時(shí),對信號進(jìn)行濾波處理,濾除一定的噪聲如二次諧波,并通過(guò)功率放大器使信號有足夠的功率耦合到電力線(xiàn)上；在接收時(shí),對混雜在信號中的噪聲進(jìn)行濾除,并放大信號,然后將信號傳送到調制解調模塊中進(jìn)行解調。因此接口電路的性能決定了通信效果的好壞。一般地,電力線(xiàn)接口電路包括:接收部分、發(fā)送部分、功率放大部分和保護部分等。因為ST7538內部帶有功率放大電路,所以只需設計接收、發(fā)送和保護三個(gè)部分。電力線(xiàn)接口電路如圖3所示。

圖3 電力線(xiàn)接口電路

　　發(fā)送電路部分，電容C11、電感LC12、電感L4和等效感性阻抗LC的值一般是事先給定的,需要通過(guò)計算確定的是電容C13和CR9的值。在選定C11、 LC12、L4和LC的值時(shí)要注意變壓器的漏電感、晶體二極管的電容和串聯(lián)器件(C13、LC12、T1、L4、C11)的等效串聯(lián)電阻 ESR(100mΩ～1Ω) ,所以盡可能地選用電阻性器件。變壓器選用1:1的隔離變壓器。模擬電力線(xiàn)的阻抗條件,即給濾波器的輸出端加上一個(gè)感性負載,令其阻抗特性為2LC = 100μH。電路中的感性器件的ESR要與其電感值成比例,且感性器件的ESR要盡可能地小。電感選用LBC（大線(xiàn)軸帶繞磁心）,電感值盡可能小,所以 LC12的值選為10μH，L4的值選為22μH。C11的作用是將變壓器與電力線(xiàn)隔離,過(guò)濾電力線(xiàn)上的50/60Hz的信號,阻止低頻信號進(jìn)入電路而使某些高頻信號通過(guò),選取X2型電容，這種電容具有短路保護功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據極點(diǎn)頻率公式，計算得出C13的值為 220nF,CR9的值為100nF。

　　接收電路部分選用無(wú)源濾波器要優(yōu)于有源濾波器,這是因為有源濾波器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與接收信號相當的白噪聲。采用并聯(lián)諧振電路, 選用二階無(wú)源帶通濾波器(C36、L7、R11)。接收濾波器的頻率主要由電容C36,電感L7和電阻R11的值決定。中心頻率可設置為 132.5kHz。濾波器性能好壞的一個(gè)重要因素是品質(zhì)因數Q，Q值選為2～3。選用允許誤差為5%的聚丙烯電容和允許誤差為10%的BC(線(xiàn)軸帶繞磁芯)電感。為了不影響發(fā)送部分,并減少通過(guò)變壓器初級線(xiàn)圈的直流電流, R11的值要盡可能得大, 但R11值若過(guò)大,會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較高的白噪聲,所以R11的值取為750Ω。令R11的值不變，根據中心頻率和品質(zhì)因數的選取不同可以得出不同的C36和 L7的值。

　　在保護電路部分中,一般采用一個(gè)雙向穩壓管,當電壓值不小于穩壓管電壓時(shí),穩壓管就會(huì )短接到地,從而保護接口電路的器件不會(huì )被燒壞?；鹁€(xiàn)與零線(xiàn)間的干擾為差模干擾，火線(xiàn)與地線(xiàn)，零線(xiàn)與地線(xiàn)間的為共模干擾。采用一個(gè)雙向穩壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號沒(méi)作用，當出現共模尖峰信號時(shí)就會(huì )對電路造成損壞，所以這里采用三個(gè)二極管(D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A)，將它們連成星狀結構。對于差模尖峰信號，D16和D15構成一個(gè)雙向穩壓管，對于共模尖峰信號,這種星狀結構就相當于兩個(gè)雙向穩壓管(D15和D17,D16和D17)。

　　軟件設計

　　當系統啟動(dòng)時(shí)，程序完成初始化后便自動(dòng)進(jìn)入從電力線(xiàn)接收數據的狀態(tài)，開(kāi)始檢測載波信號的有無(wú)及正確與否。如果檢測到載波信號且正確，則系統進(jìn)入載波接收中斷程序，開(kāi)始接收從電力線(xiàn)上傳來(lái)的數據；如果一開(kāi)始沒(méi)有載波信號，則系統開(kāi)始檢測串口，判斷串口是否有數據傳送過(guò)來(lái)，若目前有串口數據則系統進(jìn)入串口數據接收狀態(tài)，確定串口數據接收完成后就馬上進(jìn)入載波發(fā)送中斷程序，完成數據調制并發(fā)送。如果電力線(xiàn)及串口都無(wú)數據傳送發(fā)生，則系統重新進(jìn)入檢測狀態(tài)，重新開(kāi)始檢測電力線(xiàn)，進(jìn)入新一輪循環(huán)。流程圖如圖4所示。為了避免串口同時(shí)處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數據沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢(xún)以及中斷的設置來(lái)完成。

圖4 電力載波通信系統程序流程

　　結束語(yǔ)

　　本文介紹的基于A(yíng)Tmega88V與 ST7538低壓電力線(xiàn)載波通信模塊的電路設計方案具有結構簡(jiǎn)單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗觀(guān)察，設備運行良好，數據傳輸穩定可靠，遇故障可自動(dòng)重啟，可以實(shí)現無(wú)人守候，為復雜的工業(yè)環(huán)境下的工業(yè)控制和數據傳輸提供了一套參考方案。