電力線(xiàn)載波通信模塊設計

2004年4月A版

摘  要：給出兩總線(xiàn)通信模塊設計方案，重點(diǎn)介紹了通信模塊電力線(xiàn)接口和兩總線(xiàn)接口電路設計中所涉及的相關(guān)電路。

關(guān)鍵詞：電力線(xiàn)載波；兩總線(xiàn)；數據采集器

引言

　　智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(總線(xiàn))實(shí)現互聯(lián)、互操，總線(xiàn)協(xié)議是系統的精髓所在。目前，國際上占主導地位的家庭網(wǎng)絡(luò )標準有：美國的X10 、消費總線(xiàn)(CEBus)、日本的家庭總線(xiàn)(HOME BUS)、歐洲的安裝總線(xiàn)(EIB)。

　　消費總線(xiàn)使用五種類(lèi)型的介質(zhì)：電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外線(xiàn)、雙絞線(xiàn)和同軸電纜，其中以電力線(xiàn)的應用最為廣泛。但是，目前我國的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構、居民住宅分布狀況等因素致使電力線(xiàn)載波通信難以實(shí)現預期的通信效果，為了減少電力載波信號之間的干擾，網(wǎng)絡(luò )系統應該盡量減少引入電力載波信號，因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統中用電力載波通信模塊實(shí)現家用電器與數據采集器間的數據交換。

　　電力載波通信模塊框圖如圖1所示。設計中采用AT89S52作為微控制器，電力線(xiàn)載波調制解調器采用專(zhuān)用芯片ST7536。AT89S52和ST7536之間采用通用串行通信接口，用I2C總線(xiàn)和串行EEPROM通信，EEPROM采用鐵電的24C02,此芯片具有無(wú)限次可擦寫(xiě)功能。通過(guò)電力載波實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信，通過(guò)兩總線(xiàn)實(shí)現模塊與其它設備的通信。這樣，通信模塊就可以通過(guò)軟件及通信協(xié)議實(shí)現對多個(gè)實(shí)際設備通信與控制。所有的數據幀均采用CRC校驗。AT89S52和ST7536均采用外部硬件上電復位，同時(shí)使用AT89S52的內部看門(mén)狗功能，對AT89S52和ST7536進(jìn)行必要的復位，以防止系統死機造成網(wǎng)絡(luò )通信中斷。多路選擇開(kāi)關(guān)采用CD4052，通過(guò)其進(jìn)行電力載波和兩總線(xiàn)的選擇，以實(shí)現電力載波通信和兩總線(xiàn)通信的分時(shí)控制。

　　通信模塊電力線(xiàn)接口電路設計

　　國外很早對電力線(xiàn)載波通訊技術(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，并制定了電力線(xiàn)載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美地區電網(wǎng)(480Y/277V，208Y/120Vac)的標準頻率范圍100KHz-450KHz和針對歐洲地區電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標準頻率范圍9KHz-150KHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專(zhuān)有技術(shù)，設計出各己的電力線(xiàn)載波modem芯片。由于國外電力線(xiàn)載波modem芯片是針對本地區電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構，且一般是針對家庭內部自動(dòng)化而設計，在國內使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線(xiàn)載波modem芯片在一定應用領(lǐng)域可勉強使用。本系統采用ST7536作為電力載波通信的調制解調器。

　　ST7536是STMicroelectronics公司專(zhuān)為電力線(xiàn)載波通訊而設計的modem芯片。它除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線(xiàn)應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內電力線(xiàn)載波通信領(lǐng)域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。ST7536調制解調技術(shù)是較落后的FSK方式，它最高波特率只能達到1200 bps。另外它無(wú)CSMA(網(wǎng)絡(luò )載波偵聽(tīng))功能，這些限制了它的應用。目前，根據國內電網(wǎng)的實(shí)際情況，在電力線(xiàn)載波通信領(lǐng)域，ST7536是較適合的modem芯片。

　　從ST7536輸出的信號幅度小、驅動(dòng)能力弱而且還有各種諧波，因此必須經(jīng)過(guò)放大和濾波，然后才能通過(guò)耦合電路將信號調制到電力線(xiàn)上。耦合電路將高壓和低壓隔離，以防止高壓擊穿通信電路。同樣，從電力線(xiàn)來(lái)的載波信號又要由ST7536接收，而電力線(xiàn)上的干擾信號很不確定且非常復雜，所以需要一個(gè)帶通濾波器，通過(guò)67.2kHz ~87.5kHz之間的信號(本系統采用72kHz載頻)，經(jīng)過(guò)預放大后再送到ST7536的接收端。電路的框圖如圖2所示。

　　其中框圖左端包括來(lái)自ST7536的ATO和RAI及RX/TX, RX/TX是數字信號，控制收發(fā)轉換。ATO是ST7536的發(fā)送輸出，它和電力線(xiàn)接口的發(fā)送輸入相連。模擬發(fā)送輸出由自動(dòng)等級控制輸入電路來(lái)調整。最大輸出電壓的峰-峰值是6.5V。RAI是ST7536的接收模擬輸入。它和電力線(xiàn)接口的接收輸出相連，最大輸入電壓的均方根值是2V。接收靈敏度的均方根值在信道1和信道2(600 baud)上是2mV；在信道3和信道4(1200 baud)上是3mV。本系統采用后者。

　　電力線(xiàn)發(fā)射與接收電路

　　電力線(xiàn)接口電路如圖3所示。

　　通過(guò)數字信號RX/TX控制三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，給發(fā)射電路提供直流電源，當RX/TX 為高電平時(shí)，電路處于關(guān)狀態(tài)，當RX/TX為低電平時(shí)，電路處于通狀態(tài)，ST7536的ATO信號通過(guò)濾波放大后，被耦合到電力線(xiàn)上。這樣，只有當電路處于載波發(fā)射時(shí)，系統的功耗才達到極大值。

　　在發(fā)送模式下，電力線(xiàn)接口把來(lái)自ST7536芯片ATO的發(fā)送信號進(jìn)行放大和濾波。緩沖區的作用是保護ST7536，并且驅動(dòng)電力線(xiàn)接口中的下一個(gè)部件。低通濾波器(LPF)的作用是抑制諧波。濾波后的信號被送入功率放大器，功率放大器通過(guò)轉換器來(lái)驅動(dòng)阻抗為1~100Ω的電力線(xiàn)。此外，放大器也進(jìn)行頻段濾波，抑制發(fā)送信號的二次諧波。

　　在接收模式下，轉換器從電力線(xiàn)上取得信號，在預放大器中進(jìn)行放大，再送給ST7536的接收輸入RAI。這種模式下，使RX/TX為高電平。

　　通過(guò)該電路可以在電力線(xiàn)上達到1200m~1500m的有效通信距離，如果再利用本系統的軟件設計實(shí)現中繼功能更將加強電力線(xiàn)的實(shí)際通信距離。

　　耦合電路及其保護措施

　　圖3中RY1為壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，以防止高壓對電路的損害，耦合變壓器TR1實(shí)現高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高，遠遠大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號暢通無(wú)阻，而且能夠隔離高壓。電容C37阻斷低頻高壓，防止變壓器飽和；電阻R37取值比較大，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。D13是雙向穩壓二極管，即瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面的電路被高壓擊穿。除了電力線(xiàn)上的高壓脈沖外，當設備剛接通電源時(shí)，可能會(huì )有約300伏的高壓直接加到耦合變壓器上，引起很大的電流，可達到幾十安培到上百安培，采用一般的穩壓管根本不可能消除這種脈沖。由于壓敏電阻的相應時(shí)間較緩慢，根本不能滿(mǎn)足電路的要求，但是，雙向穩壓管卻可以達到要求。

　　兩總線(xiàn)接口電路的設計

　　兩總線(xiàn)接口電路如圖4所示。

　　本系統通過(guò)此電路可實(shí)現對多個(gè)設備的控制和信息獲得，它的帶載能力決定于另外一套總線(xiàn)發(fā)射接收電路，其有效傳輸距離約為1000m。由于它的通信線(xiàn)路只有兩根，因此在系統的接線(xiàn)上非常簡(jiǎn)單方便。

　　從圖4可見(jiàn)：當TCON和RCON均為低電平時(shí)，總線(xiàn)既不接收也不發(fā)射。

　　當TCON為高電平，不管RCON為何種電平，總線(xiàn)都處于發(fā)射狀態(tài)，因為此時(shí)U7-11始終鎖定為高電平，U7-10為低電平，T2、T4截止，禁止接收；而U6-6為低電平，D5、D6截止，TXD2被傳遞到總線(xiàn)上。當TXD2為高電平時(shí)，T1、T6導通，T3截止，總線(xiàn)上為12伏電壓；當TXD2為低電平時(shí)，T1、T6截止，T3導通，總線(xiàn)上的電壓為0伏。

　　當TCON為低電平，而RCON為高電平時(shí)，總線(xiàn)處于接收狀態(tài)，此時(shí)T1、T3、T6截止，禁止發(fā)射；而T2、T4導通，連同T5就可使總線(xiàn)上的數字信號傳遞到RXD2上?？偩€(xiàn)上傳輸的信號是一系列數字信號，此信號的高電平為5V,低電平為0V。

　　實(shí)驗結果

　　通過(guò)控制ST7536的RX/TX控制引腳，使載波電路處于接收狀態(tài)，在火線(xiàn)和零線(xiàn)之間加72KHz、0.3V的正弦信號，用示波器觀(guān)測ST7536 24引腳的波形，正常應為72KHz、1.5