基于ST7538和ATmega88V的電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)

圖3 電力線接口電路

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(jì)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。模擬電力線的阻抗條件,即給濾波器的輸出端加上一個(gè)感性負(fù)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隔離,過(guò)濾電力線上的50/60Hz的信號(hào),阻止低頻信號(hào)進(jìn)入電路而使某些高頻信號(hào)通過(guò),選取X2型電容，這種電容具有短路保護(hù)功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據(jù)極點(diǎn)頻率公式，計(jì)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?yàn)橛性礊V波器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與接收信號(hào)相當(dāng)?shù)陌自肼?。采用并?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(shè)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(shù)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(jí)線圈的直流電流, 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(jù)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的選取不同可以得出不同的C36和L7的值。

在保護(hù)電路部分中,一般采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管,當(dāng)電壓值不小于穩(wěn)壓管電壓時(shí),穩(wěn)壓管就會(huì)短接到地,從而保護(hù)接口電路的器件不會(huì)被燒壞?；鹁€與零線間的干擾為差模干擾，火線與地線，零線與地線間的為共模干擾。采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管只對(duì)差模尖峰信號(hào)起作用而對(duì)共模尖峰信號(hào)沒(méi)作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號(hào)時(shí)就會(huì)對(duì)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(jié)構(gòu)。對(duì)于差模尖峰信號(hào)，D16和D15構(gòu)成一個(gè)雙向穩(wěn)壓管，對(duì)于共模尖峰信號(hào),這種星狀結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于兩個(gè)雙向穩(wěn)壓管(D15和D17,D16和D17)。

軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，程序完成初始化后便自動(dòng)進(jìn)入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開(kāi)始檢測(cè)載波信號(hào)的有無(wú)及正確與否。如果檢測(cè)到載波信號(hào)且正確，則系統(tǒng)進(jìn)入載波接收中斷程序，開(kāi)始接收從電力線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)；如果一開(kāi)始沒(méi)有載波信號(hào)，則系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)串口，判斷串口是否有數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)，若目前有串口數(shù)據(jù)則系統(tǒng)進(jìn)入串口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，確定串口數(shù)據(jù)接收完成后就馬上進(jìn)入載波發(fā)送中斷程序，完成數(shù)據(jù)調(diào)制并發(fā)送。如果電力線及串口都無(wú)數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，重新開(kāi)始檢測(cè)電力線，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(shù)據(jù)沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設(shè)置來(lái)完成。

圖4 電力載波通信系統(tǒng)程序流程

結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的基于ATmega88V與 ST7538低壓電力線載波通信模塊的電路設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，設(shè)備運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，遇故障可自動(dòng)重啟，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人守候，為復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下的工業(yè)控制和數(shù)據(jù)傳輸提供了一套參考方案。