電力載波芯片ST7538及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：電力載波通信 ST7538 家庭網(wǎng)絡(luò) 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

利用電力線作為通信介質(zhì)的電力載波通信，具有極大的方便性、免維護(hù)性、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，在很多情況下是人們首選的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的又一款半雙工、同步/異步FSK（調(diào)頻）調(diào)制解調(diào)器芯片。該芯片是為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的，與ST7536和ST7537相比，主要具有以下特點(diǎn)：

*有8個(gè)工作頻段，即：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz；

*內(nèi)部集成電力線驅(qū)動(dòng)接口，并且提供電壓控制和電流控制；

*內(nèi)部集成+5V線性電源，可對(duì)外提供100mA電流；

*可編程通信速率高達(dá)4800bps；

*提供過(guò)零檢測(cè)功能；

*具有看門狗功能；

*集成了一個(gè)片內(nèi)運(yùn)算放大器；

*內(nèi)部含有一個(gè)具有可校驗(yàn)和的、24位可編程控制寄存器；

*采用TQFP44封裝。

可以看出，ST7538是一款功能強(qiáng)大的、單芯片電力線調(diào)制解調(diào)器。

圖1

1 ST7538工作原理

ST7538是采用FSK調(diào)制技術(shù)的高集成度電力載波芯片。內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過(guò)串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制，只要通過(guò)耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538還提供了看門狗、過(guò)零檢測(cè)、運(yùn)算放大器、時(shí)鐘輸出、超時(shí)溢出輸出、+5V電源和+5V電源狀態(tài)輸出等，大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量。此外，該芯片符合歐洲CENELEC（EN50065-1）和美國(guó)FCC標(biāo)準(zhǔn)。圖1為ST7538內(nèi)部原理框圖。

1.1 發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)RxTx為低時(shí)，ST7538處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538，時(shí)鐘上升沿時(shí)被采樣，并送入FSK調(diào)制器調(diào)制。調(diào)制頻率由控制寄存器bit0～bit2決定，速率由控制寄存器bit3～bit4決定。調(diào)制信號(hào)經(jīng)D/A變化、濾波和自動(dòng)電平控制電路（ALC），再通過(guò)差分放大器輸同到電力線。當(dāng)打開時(shí)間溢出功能，且發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間超過(guò)1s或3s時(shí)，TOUT變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)發(fā)送狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。這樣可以避免信道長(zhǎng)時(shí)間被某一節(jié)點(diǎn)（ST7538）點(diǎn)用。

1.2 接收數(shù)據(jù)

當(dāng)RxTx為高時(shí)，ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。信號(hào)由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538，經(jīng)過(guò)一個(gè)帶寬10kHz的帶通濾波器，送入一個(gè)帶有自動(dòng)增益AGC的放大器。該濾波器可以通過(guò)控制寄存器bit23置零取消濾波功能。自動(dòng)增益放大器可以根據(jù)電力線的信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整。為提高信噪比，經(jīng)過(guò)放大器的信號(hào)送入一個(gè)以通信頻率為中心點(diǎn)、帶寬為6kHz的窄帶濾波器。此信號(hào)再經(jīng)過(guò)解調(diào)、濾波和鎖相，變成串行數(shù)字信號(hào)，輸出給出ST7538相連的微處理器。

可以通過(guò)使控制器的bit22置位，使ST7538處于高靈敏度接收狀態(tài)。

1.3 工作模式選擇

通過(guò)微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T，可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式，由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。

微處理器對(duì)電力線的訪問(wèn)可以采用同步方式或異步方式。異步方式只需要RxD、TxD和RxTx,無(wú)需輔助時(shí)鐘信號(hào)。無(wú)載波信號(hào)時(shí),RxD輸出低電平，對(duì)于同步方式，需要CLR/T作為參考時(shí)鐘，并且ST7538必須是通信發(fā)起者（Master）。

對(duì)ST7538控制寄存器的訪問(wèn)必須采用同步訪問(wèn)方式，需要RxD、TxD、CLR/T和REG_DATA,CLR/T上升沿有效，發(fā)送數(shù)據(jù)高位在前。

1.4 復(fù)位及看門狗

ST7538內(nèi)部嵌入一個(gè)看門狗，可以產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部和外部的復(fù)位信號(hào)，保證CPU的可靠工作。

2 系統(tǒng)硬件組成

電力載波通信節(jié)點(diǎn)模塊一般包括以下幾部分微處理器部分、載波部分信號(hào)濾波部分和電力線信號(hào)耦合與保護(hù)部分。圖2給出了利用ST7538和Atmega8L構(gòu)成的通用電力載波通信模塊。這里僅就濾波部分作簡(jiǎn)要介紹。

信號(hào)濾波部分是整個(gè)模塊的關(guān)鍵部分，它包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。圖3為輸入濾波電路，它采用并聯(lián)電流諧振電路構(gòu)成濾波電路，濾除指定頻率以外的無(wú)用信號(hào)和噪聲。該諧振點(diǎn)頻率f1為

圖4為輸出濾波電路，它采用串聯(lián)電壓諧振電路，避免無(wú)用信號(hào)耦合到電力線上。該諧振點(diǎn)頻率f2為：

電力線耦合部分采用1：1寬帶通信變壓器，同時(shí)二次側(cè)采用瞬間電壓抑制器P6KE6V8A，保護(hù)后級(jí)電路。

3 應(yīng)用注意事項(xiàng)

ST7538比早期推出的ST7536、ST7537功能強(qiáng)大得多，引腳也從28腳增至44腳，使用起來(lái)仍然很方便，但還需要特別強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：①注意保證上電復(fù)位時(shí)間和順序。ST7538復(fù)位時(shí)間為50ms，微處理器上電復(fù)位時(shí)必須有足夠長(zhǎng)的硬件延時(shí)和/或軟件延時(shí)，保證ST7538可靠復(fù)位。ST7538可靠復(fù)位后，方可對(duì)其進(jìn)行初始化操作。

②ST7538有8個(gè)通信頻段，但是同一時(shí)刻只能采用一種通信頻率。要改變通信頻率，則需要調(diào)整硬件參數(shù)。

③ST7538內(nèi)部提供的僅是純透明的物理層通信協(xié)議，當(dāng)噪聲信號(hào)混入通信頻率時(shí)，ST7538無(wú)法區(qū)分，它將與有用信號(hào)一起被解調(diào)。因此，ST7538要求用戶必須自己制制MAC層通信協(xié)議，以保證通信的可靠性。

④用ST7538組成系統(tǒng)時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信可以采用總線介質(zhì)訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)性協(xié)議，例如CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)）。但是，電力載波通信畢竟通信速率低、效率不高。因此，可以考慮利用ST7538的這零檢測(cè)功能。利用過(guò)零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而可以在一個(gè)比較大的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非總線介質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的“類TDMA”（時(shí)分多址）協(xié)議，該協(xié)議經(jīng)常用于GSM等數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

ST7538是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此采取了多種抗干擾技術(shù)。雖然它采用FSK調(diào)制技術(shù)，而沒(méi)有采用擴(kuò)頻技術(shù)，沒(méi)有擴(kuò)展通信的優(yōu)點(diǎn)，但是，正因?yàn)槿绱?，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。