基于低壓電力線的載波模塊設(shè)計(jì)

作者 / 李照彬 林宏 謝嘉倍

　　廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院(廣東 廣州 510006)

摘要：由傳統(tǒng)的高壓電力線通信技術(shù)發(fā)展而來(lái)的低壓電力線載波通信技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注，低壓電力線載波通信技術(shù)是利用現(xiàn)有的電力線作為信號(hào)傳輸信道來(lái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多或多對(duì)多的通信技術(shù)。選擇有效的方案實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中的通信至關(guān)重要，本設(shè)計(jì)通過(guò)建立低壓電力線載波模塊系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了基于HLPLCS521F的低壓電力線載波模塊。在完成本設(shè)計(jì)硬件部分的理論分析后，進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果做進(jìn)一步的分析，實(shí)現(xiàn)了利用低壓電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中測(cè)試了其通信效果，該載波模塊設(shè)計(jì)方案具有較高的信號(hào)保真度和抗噪聲能力。

　　當(dāng)前，電力載波通信技術(shù)在以高壓電力線為通信載體方面已經(jīng)取得了成效，且應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。近幾年來(lái)，電力線載波技術(shù)不斷發(fā)展，在中、低壓技術(shù)方面也有了很好的提高，不僅能夠提高供電部門(mén)抄表系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以擴(kuò)展到其他行業(yè)，如電力、交通、銀行、消防、商場(chǎng)等各個(gè)領(lǐng)域服務(wù)，這將產(chǎn)生具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外低壓電力線載波技術(shù)的了解和研究，了解到電力線載波通信技術(shù)利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，成本相對(duì)較為低廉等，于是搭建出一個(gè)實(shí)際的、以HLPLCS521F為核心的低壓電力載波通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)模塊的通信性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 載波芯片

　　本模塊所使用的調(diào)制解調(diào)芯片是HLPLCS521F，HLPLCS521F是一顆為電力線載波通訊設(shè)計(jì)的FSK調(diào)制與解調(diào)芯片，芯片內(nèi)部集成高速數(shù)字信號(hào)處理器和FSK調(diào)制解調(diào)器，解調(diào)器具有強(qiáng)的抗干擾性能，可適應(yīng)各種復(fù)雜的電力線信道環(huán)境。

　　模塊可以在過(guò)零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換，且串口通訊速率可選、偶校驗(yàn)和無(wú)校驗(yàn)可選。芯片采用TSSOP20封裝，其引腳圖如圖1所示。

　　Zset用于設(shè)置發(fā)送模式，若該引腳上拉至高電平，則為正常發(fā)送模式，若直接接地則為過(guò)零發(fā)送模式;U_Eset用于設(shè)置串口校驗(yàn)方式，若該引腳上拉至高電平，則為偶校驗(yàn)，若直接接地則為無(wú)校驗(yàn);U_Bset0、U_Bset1兩個(gè)引腳配合完成串口通訊速率的設(shè)置，若為00則通訊速率為1200，若為01則通訊速率為2400，若為10則通訊速率為4800，若為11則通訊速率為9600。通訊格式設(shè)置只在上電(復(fù)位后)設(shè)置有效，模塊正常工作后不能再對(duì)其設(shè)置更改。

　　軟件采用模糊算法，即使傳輸信號(hào)被干擾或丟失達(dá)40%，也能準(zhǔn)確還原出原載波信號(hào)、通訊穩(wěn)定、抗干擾能力超強(qiáng)，配合外圍電路，即可設(shè)計(jì)出高性能、高穩(wěn)定度、高靈活度的載波通訊模塊。

　　本設(shè)計(jì)利用該芯片配置的靈活性將通訊速率配置引腳、校驗(yàn)方式配置引腳、發(fā)送模式配置引腳引出，以實(shí)現(xiàn)自由配置需要的設(shè)置，既方便調(diào)試模塊，又能根據(jù)電力線環(huán)境不同改變相應(yīng)的設(shè)置以達(dá)到最好的通訊效果。

2 低壓電力線載波模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)有信源、信道、信息的收發(fā)端以及相應(yīng)的接口電路等，其中信道是低壓電力線。采用模塊化設(shè)計(jì)，微控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)通過(guò)通信串口經(jīng)電力線載波模塊發(fā)送至電力線上，而模塊從電力線上接收到的信息可以通過(guò)通信串口發(fā)送給微控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成載波通道通信過(guò)程。低壓電力線載波模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　由圖可知電力線載波通信系統(tǒng)信息傳遞的過(guò)程為：微控制器提供信息→通信接口電路→信號(hào)調(diào)制→電力線接口→電力線→電力線接口→信號(hào)解調(diào)→通信接口電路→微控制器處理信息。其中通信接口電路為串口電路，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)芯片為HLPLCS521F。由此可知，一個(gè)低壓電力線載波通信系統(tǒng)的搭建需要兩塊模塊進(jìn)行配合：一塊起發(fā)送作用，一塊起接收作用。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　載波芯片與電壓電網(wǎng)相連需經(jīng)耦合電路，所以在該接口電路的功能設(shè)計(jì)上，必須要有耦合功能。除此之外，為減小各種干擾信號(hào)的影響，需增加濾波功能;還有為提高傳輸距離，需考慮增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，還需加設(shè)必要的保護(hù)功能。綜上考慮，設(shè)計(jì)出芯片HLPLCS521F與低壓電力線相連的接口電路框圖如圖3所示。

　　發(fā)送信號(hào)的過(guò)程從芯片HLPLCS521F的FSK_OUT引腳輸出后，需經(jīng)過(guò)功率放大環(huán)節(jié)以及耦合保護(hù)窄帶濾波環(huán)節(jié); 而信號(hào)接收過(guò)程從低壓電力線輸入后，經(jīng)耦合保護(hù)窄帶濾波環(huán)節(jié)和電壓放大后，傳入芯片F(xiàn)SK_IN腳，這兩個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)過(guò)程中都在工作。

2.2.1 耦合保護(hù)窄帶濾波

　　耦合保護(hù)窄帶濾波電路采用1mH：1mH的耦合變壓器，信號(hào)經(jīng)過(guò)中心頻率為72k的 LC選頻網(wǎng)絡(luò)，即可得到頻率高達(dá)72k的方波信號(hào)。其載波通訊口可直接抵御靜電、群脈沖和浪涌的沖擊。

2.2.2 發(fā)送功率放大

　　發(fā)送功率放大電路是由CJ3406和CJ3407配合實(shí)現(xiàn)的。從芯片的FSK_OUT引腳出來(lái)的信號(hào)為中心頻率為72KHz，幅值為5V的方波信號(hào)，其高低電平使P 溝道 Mos 管和 N 溝道 Mos 管分別導(dǎo)通，使得電壓幅值提高到幅值為VPLC的方波信號(hào)，之后經(jīng)濾波器將方波轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)FSK_DATA。

2.2.3 接收電壓放大

　　接收電壓放大電路中起主要作用的是OP37。

　　前端采用 RLC 帶通濾波器設(shè)計(jì)，中心頻率為72k，之后信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后進(jìn)入到運(yùn)放OP37進(jìn)行放大，將正弦小信號(hào)放大整形成方波信號(hào)經(jīng)FSK_IN引腳給載波芯片解析。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，OP37有著很高的轉(zhuǎn)換率，能完美的放大信號(hào)且信號(hào)不失真。

2.3 模塊應(yīng)用

　　在完成本設(shè)計(jì)硬件部分的理論分析后，進(jìn)行實(shí)物制作并測(cè)試。

　　制作完成的模塊體積小，具有配置引腳，只需短接焊點(diǎn)即可使用該模塊，十分方便。模塊制作完成之后，分別對(duì)該模塊進(jìn)行了一對(duì)一、一對(duì)多的實(shí)際應(yīng)用，模塊表現(xiàn)出色，未出現(xiàn)異常。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　低壓電力線載波通信系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。由圖4可知，其軟件工作流程如下:

　　首先系統(tǒng)通電開(kāi)始進(jìn)行端口的初始化工作，再對(duì)用戶(hù)設(shè)置的波特率、幀長(zhǎng)和信號(hào)通信方式等進(jìn)行檢測(cè)，再根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果發(fā)送載波芯片中控制寄存器的控制字;然后開(kāi)始從電力線接收數(shù)據(jù)的工作，這時(shí)可分兩種情況分析: 第一種情況是當(dāng)FSK載波信號(hào)檢測(cè)到時(shí)，就可進(jìn)入信號(hào)數(shù)據(jù)接收狀態(tài);第二種情況，當(dāng)檢測(cè)中條件不滿(mǎn)足時(shí)，則即刻進(jìn)入信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)待發(fā)送，則繼續(xù)返回檢測(cè)是否有載波信號(hào)出現(xiàn)。

4 測(cè)試試驗(yàn)及引腳波形圖

　　為測(cè)試模塊的信號(hào)保真度，進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。

　　利用串口助手每隔1300ms向模塊1發(fā)送一次數(shù)據(jù)(該試驗(yàn)中為0xFE)，如圖5所示。此時(shí)觀察FSK_OUT引腳的波形圖如圖6所示。觀察FSK_DATA引腳的波形圖如圖7所示。之后，該信號(hào)經(jīng)耦合電路發(fā)送到電力線上，此時(shí)使用模塊2從電力線上獲取該信號(hào)，得到FSK_DATA引腳波形圖如圖8所示。而FSK_IN引腳波形圖如圖9所示。通過(guò)串口助手觀察模塊接受到的數(shù)據(jù)是否發(fā)生失真，如圖10所示。

　　可見(jiàn)未發(fā)生數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，并使用其他數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，未出現(xiàn)異常，買(mǎi)塊表現(xiàn)良好，信號(hào)保真度極高。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于低壓電力線的載波模塊，該模塊集成度高，工作可靠，有較高的接收靈敏度和抗干擾能力，通信速度較快，且保真度高。利用本文設(shè)計(jì)的低壓電力線載波模塊，成功實(shí)現(xiàn)了基于電力線的一對(duì)多的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、一對(duì)多的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，而且系統(tǒng)穩(wěn)定，通過(guò)獲取電力線上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)幾乎未出現(xiàn)失真現(xiàn)象，可見(jiàn)該系統(tǒng)保真度高。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，低壓電力載波通信在信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃陨弦延辛撕艽蟮母纳?。電力網(wǎng)絡(luò)是目前覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，有著巨大的潛在利用價(jià)值，目前國(guó)外都在致力于推廣其應(yīng)用范圍，我國(guó)電力系統(tǒng)擁有遍及全國(guó)各個(gè)角落的網(wǎng)絡(luò)資源，為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)接入系統(tǒng)提供了便利條件，在家居自動(dòng)化、家用電器控制等方面，該技術(shù)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展空間尤為廣闊。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]孫建軍,吳太虎.電力線通信(PLC)技術(shù)的發(fā)展[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2003(1):1-5.

　　[2]王波,王翥,宋佳.基于低壓電力線的智能載波模塊的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(14):273-274.

　　[3]張旭輝.低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2003.

　　[4]羅文亮.基于低壓配電網(wǎng)的OFDM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].西安:西安理工大學(xué),2010.

　　[5] Manfred Zimmermann,Klaus Dostert. An Analysis of the Broadband Noise Scenario in Power line Networks[C]// Proceedings ofthe 4th International Symposium on Power line Communications and Its Applications. Limerick,Ireland:[s.n.], 2000.

　　[6]R.Fischer,W.H.Gerstacker and J.B.Huber.Dynamics Limited Precoding,Shaping,and Blind Equalization for Fast Digital Transmission over Twisted Pair Lines.IEEE J-SAC,1995,13,Dec.,pp.1622 – 1633.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。