基于低壓電力線的載波模塊設計

作者 / 李照彬 林宏 謝嘉倍

　　廣東工業(yè)大學信息工程學院(廣東 廣州 510006)

摘要：由傳統(tǒng)的高壓電力線通信技術發(fā)展而來的低壓電力線載波通信技術已經(jīng)越來越受到關注，低壓電力線載波通信技術是利用現(xiàn)有的電力線作為信號傳輸信道來實現(xiàn)一對一、一對多或多對多的通信技術。選擇有效的方案實現(xiàn)電網(wǎng)中的通信至關重要，本設計通過建立低壓電力線載波模塊系統(tǒng)模型，設計了基于HLPLCS521F的低壓電力線載波模塊。在完成本設計硬件部分的理論分析后，進行相關的測試，并對測試結果做進一步的分析，實現(xiàn)了利用低壓電力線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。通過在實驗室和現(xiàn)場環(huán)境中測試了其通信效果，該載波模塊設計方案具有較高的信號保真度和抗噪聲能力。

　　當前，電力載波通信技術在以高壓電力線為通信載體方面已經(jīng)取得了成效，且應用領域非常廣泛。近幾年來，電力線載波技術不斷發(fā)展，在中、低壓技術方面也有了很好的提高，不僅能夠提高供電部門抄表系統(tǒng)的運行可靠性，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，還可以擴展到其他行業(yè)，如電力、交通、銀行、消防、商場等各個領域服務，這將產(chǎn)生具有巨大的社會和經(jīng)濟效益。通過對國內(nèi)外低壓電力線載波技術的了解和研究，了解到電力線載波通信技術利用已有的電力配電網(wǎng)絡進行通信，不需要重新布線，信號不會因為通過建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，成本相對較為低廉等，于是搭建出一個實際的、以HLPLCS521F為核心的低壓電力載波通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并對模塊的通信性能進行了測試。

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計的FSK調(diào)制與解調(diào)芯片，芯片內(nèi)部集成高速數(shù)字信號處理器和FSK調(diào)制解調(diào)器，解調(diào)器具有強的抗干擾性能，可適應各種復雜的電力線信道環(huán)境。

　　模塊可以在過零發(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、偶校驗和無校驗可選。芯片采用TSSOP20封裝，其引腳圖如圖1所示。

　　Zset用于設置發(fā)送模式，若該引腳上拉至高電平，則為正常發(fā)送模式，若直接接地則為過零發(fā)送模式;U_Eset用于設置串口校驗方式，若該引腳上拉至高電平，則為偶校驗，若直接接地則為無校驗;U_Bset0、U_Bset1兩個引腳配合完成串口通訊速率的設置，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。通訊格式設置只在上電(復位后)設置有效，模塊正常工作后不能再對其設置更改。

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

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

2 低壓電力線載波模塊硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)整體結構

　　低壓電力線載波通信的原理結構有信源、信道、信息的收發(fā)端以及相應的接口電路等，其中信道是低壓電力線。采用模塊化設計，微控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)通過通信串口經(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通信串口發(fā)送給微控制器，以實現(xiàn)對接收的數(shù)據(jù)進行處理，完成載波通道通信過程。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)信息傳遞的過程為：微控制器提供信息→通信接口電路→信號調(diào)制→電力線接口→電力線→電力線接口→信號解調(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，信號的調(diào)制解調(diào)芯片為HLPLCS521F。由此可知，一個低壓電力線載波通信系統(tǒng)的搭建需要兩塊模塊進行配合：一塊起發(fā)送作用，一塊起接收作用。

2.2 硬件結構設計

　　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計上，必須要有耦合功能。除此之外，為減小各種干擾信號的影響，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，還需加設必要的保護功能。綜上考慮，設計出芯片HLPLCS521F與低壓電力線相連的接口電路框圖如圖3所示。

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

2.2.1 耦合保護窄帶濾波

　　耦合保護窄帶濾波電路采用1mH：1mH的耦合變壓器，信號經(jīng)過中心頻率為72k的 LC選頻網(wǎng)絡，即可得到頻率高達72k的方波信號。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配合實現(xiàn)的。從芯片的FSK_OUT引腳出來的信號為中心頻率為72KHz，幅值為5V的方波信號，其高低電平使P 溝道 Mos 管和 N 溝道 Mos 管分別導通，使得電壓幅值提高到幅值為VPLC的方波信號，之后經(jīng)濾波器將方波轉換成正弦波信號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 帶通濾波器設計，中心頻率為72k，之后信號經(jīng)過帶通濾波器后進入到運放OP37進行放大，將正弦小信號放大整形成方波信號經(jīng)FSK_IN引腳給載波芯片解析。測試發(fā)現(xiàn)，OP37有著很高的轉換率，能完美的放大信號且信號不失真。

2.3 模塊應用

　　在完成本設計硬件部分的理論分析后，進行實物制作并測試。

　　制作完成的模塊體積小，具有配置引腳，只需短接焊點即可使用該模塊，十分方便。模塊制作完成之后，分別對該模塊進行了一對一、一對多的實際應用，模塊表現(xiàn)出色，未出現(xiàn)異常。

3 軟件設計

　　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)通電開始進行端口的初始化工作，再對用戶設置的波特率、幀長和信號通信方式等進行檢測，再根據(jù)其檢測結果發(fā)送載波芯片中控制寄存器的控制字;然后開始從電力線接收數(shù)據(jù)的工作，這時可分兩種情況分析: 第一種情況是當FSK載波信號檢測到時，就可進入信號數(shù)據(jù)接收狀態(tài);第二種情況，當檢測中條件不滿足時，則即刻進入信號數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，如果沒有數(shù)據(jù)待發(fā)送，則繼續(xù)返回檢測是否有載波信號出現(xiàn)。

4 測試試驗及引腳波形圖

　　為測試模塊的信號保真度，進行了測試試驗。

　　利用串口助手每隔1300ms向模塊1發(fā)送一次數(shù)據(jù)(該試驗中為0xFE)，如圖5所示。此時觀察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，該信號經(jīng)耦合電路發(fā)送到電力線上，此時使用模塊2從電力線上獲取該信號，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。

　　可見未發(fā)生數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，經(jīng)長時間測試，并使用其他數(shù)據(jù)進行測試，未出現(xiàn)異常，買塊表現(xiàn)良好，信號保真度極高。

5 結論

　　本文設計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。利用本文設計的低壓電力線載波模塊，成功實現(xiàn)了基于電力線的一對多的遠程控制系統(tǒng)設計、一對多的遠程數(shù)據(jù)傳輸功能，而且系統(tǒng)穩(wěn)定，通過獲取電力線上采集到的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)幾乎未出現(xiàn)失真現(xiàn)象，可見該系統(tǒng)保真度高。

　　隨著科學技術的不斷進步，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啤ｋ娏W(wǎng)絡是目前覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡，有著巨大的潛在利用價值，目前國外都在致力于推廣其應用范圍，我國電力系統(tǒng)擁有遍及全國各個角落的網(wǎng)絡資源，為實現(xiàn)用戶接入系統(tǒng)提供了便利條件，在家居自動化、家用電器控制等方面，該技術有著得天獨厚的優(yōu)勢可見這項技術發(fā)展空間尤為廣闊。

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