基于電力載波通信的新型同步電子鐘設計

摘要：為了解決當前一些重大考試需要懸掛時鐘的問題，設計一種新型同步數字電子時鐘系統(tǒng)。應用電力載波技術實現(xiàn)了電子鐘的遠程同步控制。介紹了系統(tǒng)的組成及工作原理，為系統(tǒng)的設計提供了一種簡單、實用、低成本的同步控制方案。
關鍵詞：同步時鐘；電力載波通信；SC1128；PCF8563

0 引言
近年來，隨著電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術的發(fā)展，電力線載波通信已大量地應用于日常生活和工業(yè)生產中，如電力線上網、電力載波自動抄表系統(tǒng)、家庭自動化系統(tǒng)、工業(yè)過程控制等。
電力線載波通信技術是指利用電力線傳輸數據和媒體信號的一種通信方式，該技術是把載有高頻調制的信息加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻調制信息從電流中分離出來并傳送至計算機或其他相應設備，以實現(xiàn)信息傳遞。由于電力線載波通信技術以電力線路為傳輸通道，具有較高的傳輸可靠性，較低的線路衰減，以及不需要通信線路建設的基建投資和日常維護費用等優(yōu)點，使得這種技術變得方便、成本低、易實現(xiàn)。
本文介紹一種基于低壓電力載波通信技術實現(xiàn)的同步數字電子鐘系統(tǒng)。傳統(tǒng)的時鐘同步，通常需要到每個時鐘處手動校準。這項工作不僅效率低下，而且還存在人為誤差，不能滿足現(xiàn)代化管理的需求。使用基于電力載波通信的同步時鐘，不僅成本低，而且能夠圓滿地解決上述問題。該系統(tǒng)利用低壓供電電路，由主機發(fā)送時鐘校準信號，由載波通信模塊通過電力線傳輸，從機接收信號后，調整時間，實現(xiàn)電子鐘的同步運行。

1 系統(tǒng)總體結構
1．1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由兩部分組成，其結構如圖1所示。一部分是同步時鐘的控制終端，作為主機系統(tǒng)，另一部分是從機系統(tǒng)。所有從機結構都一樣，臺數依實際需要確定，不受限制。系統(tǒng)采用220V低壓供電線路作為通信媒介。主機及從機系統(tǒng)主要由單片機、PCF8563時間芯片、SC1128擴頻載波芯片、輸出功率放大器、帶通濾波器、前級放大電路、耦合電路、鍵盤陣列輸入、顯示輸出等組成。主機系統(tǒng)單片機采用Atmel公司的AT89S52作為控制芯片，增加RS 232或USB串行接口，以便與PC機通信。PC機通過網絡可與Internet時間同步，從而使系統(tǒng)能與Internet時間同步。從機單片機采用AT89C2051作為控制芯片。從機設置一個運行方式開關，可在同步運行方式或獨立運行兩種方式下工作。若工作于同步方式：由主機發(fā)送時鐘校準信號，由載波通信模塊通過電力線傳輸，從機接收信號后，調整時間，實現(xiàn)電子鐘的同步運行。若工作于獨立方式：從時鐘芯片PCF8563讀取時間。用戶可以通過鍵盤輸入時間或修改時間。

時鐘芯片采用Philips公司生產設計的PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘／日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過I2C總線接口串行傳遞。
1．2 電力載波通信模塊
由于低壓配電網直接面向用戶，決定了其結構和通信環(huán)境的復雜性，如：噪聲干擾強、干擾信號時變性強、信號衰減大、信道容量小等。因此在該系統(tǒng)中，選擇由北京智源利和微電子技術有限公司設計開發(fā)的電力線載波調制芯片SC1128，其內部邏輯結構圖如圖2所示。
該芯片專門針對中國低壓電網特性而設計，是一款適合中國低壓電網特性的數據傳輸專用芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，該芯片應用在電力線通信方面具有較強的抗干擾及抗衰減性能。該芯片采用CMOS技術設計的數模混合專用電路，應用先進的擴頻通信技術和調制解調技術，是面向低壓電力線低速率通信市場需要的專用擴頻Modem芯片。而且SC1128價位較低，可以為民用市場所接受。其電路內部集成了擴頻器、DAC和ADC、輸出驅動器、輸入信號放大器、工作電壓檢測器、看門狗電路、串／并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統(tǒng)應用中可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。
SC1128芯片是采用CMOS技術設計的數／模混合電路。其功能特點如下：
(1)直接序列擴頻技術，抗干擾能力強；
(2)發(fā)射信號分為兩種形式輸出：一種是經D／A轉換器后正弦緩沖器輸出，諧波成份少；另一種以高壓開漏緩沖器輸出，應用成本低；
(3)輸入信號放大器，對輸入信號進行前置放大；
(4)內置看門狗電路，監(jiān)視系統(tǒng)程序的工作狀態(tài)；
(5)內置電壓監(jiān)測器，監(jiān)視電源電壓的變化，并及時向系統(tǒng)發(fā)出報警信號；
(6)內置電子表電路(24小時制)，滿足對不同時間段記費率的要求(支持掉電工作)；
(7)內置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與MCU之間的控制命令和數據交換；
(8)63位擴頻碼，數據速率典型值為5．75 Kb／s；
(9)捕獲門限值從200～6 290由軟件設定；
(10)內置64×8 SRAM存儲器(支持掉電工作)，為系統(tǒng)提供數據暫存；
(11)提供QFP-44線封裝形式(LQFP-44PIN)；
(12)單+5 V電壓工作。
1．3 電力載波模塊與單片機的通信
SC1128第28腳為電路工作主時鐘的1／2的晶振輸出(其峰峰值約為4 V)，近似正弦波；32腳為電壓監(jiān)測端；33腳為看門狗輸入端，正常工作時應該在768 ms內產生一次高低電位變化；34腳為看門狗輸出端，與33腳配合，正常時輸出低電平，否則輸出1／3占空比的復位脈沖；35腳與32腳配合，當電源信號低于監(jiān)測值時，輸出低電平，當高于監(jiān)測值，則輸出高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接收同步后產生同步脈沖信號，頻率隨工作主時鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數據；39腳為設置數據及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設置時鐘輸入端；41腳為片選輸入端。SC1128與AT89C2051單片機的接口電路如圖3所示，SC1128與AT89S52單片機的接口電路可參照圖3，基本相同。

數據收發(fā)流程如下：
當主機處于發(fā)射狀態(tài)時，單片機將SR端(36腳)置高，SC1128芯片輸出同步脈沖(37腳)，單片機通過TX端(38腳)同步發(fā)送數據。
當從機處于接收狀態(tài)時，單片機將SR端(36腳)置低，SC1128芯片若接收到數據，則發(fā)射同步脈沖(37腳)，通過TX端(38腳)將數據同步發(fā)送到單片機。

2 軟件設計
系統(tǒng)的軟件分為主機與從機兩部分。主機與從機流程圖如圖4，圖5所示。

主機通過RS 232或者USB與PC機通信，以便上網與Internet時鐘同步，系統(tǒng)將時間值保存在時鐘芯片PCF8563中，單片機每隔0．5 s從PCF8563中讀取一次數值，按照規(guī)定的格式及要求發(fā)給SC1128擴頻載波芯片，由SC1128擴頻載波芯片將數據調制到低壓供電網絡，進行廣播傳輸。從機單片機將電力線上加載的時鐘調制信號經耦合電路耦合將數據送往輸入帶通濾波器濾波及前級放大電路進行放大，再由12腳進入SC1128擴頻載波芯片做進一步處理，根據通信協(xié)議解析出中央控制端發(fā)送的時間值并輸出顯示。為了數據傳輸的可靠性的提高，誤碼率的降低，數據需要重復發(fā)送3次。
主機和從機之間數據的交換采用的串行異步通信方式，基于通信協(xié)議，使用一個8位的unsigned char變量作為接收窗口。具體載波信號發(fā)射接收過程如圖6所示。

3 結語
本文介紹了電力線載波通信技術在同步電子鐘系統(tǒng)中的應用。利用了電力網絡本身的方便，實現(xiàn)了時鐘的中央控制。系統(tǒng)具有成本低、易實現(xiàn)，可靠性高等優(yōu)點，是一種性價比較高、新型的控制方式。系統(tǒng)既可同步運行又可獨立運行?，F(xiàn)在各種考試考場都需要掛鐘，此系統(tǒng)具有很好的應用價值。