安森美半導體電力線載波芯片的特點及其應(yīng)用

一、配電線通訊

中低壓交流配電線用于電能的輸送同時，也可作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。電力線載波通訊（PLC）技術(shù)就是通過載波方式將模擬或數(shù)字信號在配電線上進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)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，相對較為低廉的成本，使這項技術(shù)在電表自動抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。

圖1就是PLC技術(shù)典型的應(yīng)用案例——遠程電表自動抄表系統(tǒng)的示意圖。

電表通過電力線與集中器進行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò)的核心管理者。它負責網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺集中器可管理幾十至幾百只電表。

在這個系統(tǒng)中，集中器會按照設(shè)定的時間間隔讀取各個電表的運行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實現(xiàn)自動遠程集中抄表。

1.1 EDF項目

當今世界上許多國家都已采用或即將部署智能電表系統(tǒng)并采用自動遠程集抄方式。目前備受關(guān)注的就是法國ERDF的Linky電表項目。

歐盟最大的電力配電網(wǎng)運營商，法國電力集團（EDF）的子公司--法國電網(wǎng)輸送公司（ERDF）已經(jīng)啟動了一個涉及總數(shù)量3500萬只電表的項目。該項目從2012年至2017年，將把法國國內(nèi)的傳統(tǒng)電表統(tǒng)一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線載波（PLC）技術(shù)。

項目對PLC的主要技術(shù)要求如下：

物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1

調(diào)制方式：S-FSK

通信載波頻率：Fm (傳號頻率)：63.3KHz；Fs(空號頻率)：74KHz

通信速率：2400 Baud

物理層與電力線50Hz同步

應(yīng)用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511

1.2安森美半導體與PLC通訊

安森美半導體針對低/中壓電力線上數(shù)據(jù)通訊而研發(fā)了S-FSK PLC Modem，在工業(yè)現(xiàn)場已有超過8年的成功應(yīng)用。Modem是采用S-FSK調(diào)制方式的窄帶PLC收發(fā)器，是目前唯一經(jīng)過多年市場驗證的器件。

產(chǎn)品從早期的AMIS-30585發(fā)展到如今第二代產(chǎn)品AMIS-49587。

AMIS-49587完全滿足ERDF的技術(shù)要求，已被Linky智能電表供應(yīng)商選中作為PLC通信的核心器件。

下文中，結(jié)合EDF Linky電表項目的需求，介紹AMIS-49587的特點。

二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發(fā)器

2.1 Linky電表OSI層參考模型：

Linky項目采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

- 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標準。

- 數(shù)據(jù)鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標準

- 應(yīng)用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標準

AMIS-49587最突出的特點在于其作為PLC收發(fā)器除了完成物理層S-FSK信號的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)外，還向上包含了MAC子層的處理。這個特點使用戶得以把更多的精力放在應(yīng)用層的開發(fā)。通過AMIS-49587進行邏輯鏈路層（LLC Layer）數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗等都會被自動添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開發(fā)方面的工作量。

2.2 物理層采用優(yōu)化的 S-FSK

電力配電線并不是為信號傳送而專門設(shè)計的，它的阻抗處于隨時變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調(diào)制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對電力線特殊情況具有良好的通訊效果。

FSK（頻移鍵控）是經(jīng)典的實現(xiàn)成本較低的頻率調(diào)制方式：利用兩個獨立的載頻傳送二進制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個頻率盡可能遠離，（>10KHz）使兩個頻率傳輸質(zhì)量相對獨立，以更好的應(yīng)對電網(wǎng)中常見的窄帶干擾的影響。

圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個載頻的接收信號信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號頻率）和f1（傳號頻率）產(chǎn)生兩個解調(diào)信號-dS和dM，如果dS>dM，認為收到數(shù)據(jù)“0”；反之認為是數(shù)據(jù)“1”，這種情況接收器工作在FSK模式；如果遇到窄帶干擾使其中一個載頻下的信噪比很差時，接收器將忽略這個信道，用另一個較好信道的解調(diào)信號與一個內(nèi)部閾值T作比較來決定收到“1”還是“0”。此時接收器工作在幅移鍵控ASK模式。

此外，Modem內(nèi)部處理器的解調(diào)算法尤為重要。其對接收靈敏度影響很大。Linky項目要求接收機在S-FSK信號有效值2mV至2V內(nèi)都可正常識別。

靈活的調(diào)制解調(diào)模式、先進可靠的解調(diào)算法使AMIS-49587具有優(yōu)異的抵抗電力線上干擾的性能。

2.3 物理層幀格式

AMIS-49587按照IEC61334-5-1物理幀格式來傳送數(shù)據(jù)。

2.4 MAC幀與物理幀

物理幀以時間片（或稱時隙，Time Slot）為發(fā)送間隔。幀起點被稱為時間片指示器Slot indicator，這一點對應(yīng)電力線電壓50Hz的過零點。客戶端（Client，也就是主機）必須在過零點開始發(fā)送物理幀。IEC61334-5-1的整個系統(tǒng)都是以時間片為同步依據(jù)的，了解這一點十分重要。

以2400bps速率為例，傳送1個時間片或物理幀的時間需要150mS。

物理幀由前導碼Preamble、起始子幀定界符Start Subframe. Delimiter、MAC子幀(Data)和暫停域Pause組成。

物理幀總是起始于基本時間片的整數(shù)倍，這時刻稱作時間片指示器。在時間片同步后，每個裝置的物理層就可以通過它的內(nèi)部時鐘獨立地跟蹤時間片指示器。

前導碼和起始子幀定界符（AAAAh和54C7h）具有重要意義。接收方可以在接收這4個字節(jié)期間：

1） 調(diào)整確定接收增益

2） 測量信噪比

3） 確定解調(diào)方式 FSK 或ASK

4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開始

5） 調(diào)整服務(wù)器（Server，也就是從機）與客戶端（Client）同步

如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發(fā)送。一個物理幀有38個字節(jié)數(shù)據(jù)域，一次可以發(fā)送一個MAC子幀。長MAC幀可以由多達7個MAC子幀組成。有多個MAC子幀的長MAC幀會被拆分成幾個子幀，由相應(yīng)數(shù)量的物理幀順序發(fā)送。接收方全部接收后，再把它們整合起來。

MAC幀頭Header由子幀數(shù)、初始可信值IC、當前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長度Pad Length組成。可信值的使用會在后面中繼的章節(jié)中詳細介紹。LLC幀作為數(shù)據(jù)被包含在MAC幀中。

三、安森美半導體PLC解決方案

方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅(qū)動放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

PLC信號的發(fā)送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調(diào)制出的S-FSK信號經(jīng)過NCS5650進行放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實現(xiàn)電壓變換和阻抗匹配，也用于強弱電的隔離。NCS5650除了對信號進行功率放大外，其兩級運放的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對電力線接入設(shè)備有嚴格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統(tǒng)對電力線的高頻干擾注入滿足EN 50065規(guī)范的要求。

藍色箭頭標注出了接收路徑：變壓器從電力線耦合過來的信號經(jīng)過AMIS-49587內(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器在內(nèi)部ARM進行FSK解調(diào)分析。

圖6中黑色箭頭是50Hz的過零檢測信號引腳。系統(tǒng)依靠這個信號進行同步定時。

圖中藍色虛線框內(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負責通訊應(yīng)用層處理及計量。其與PLC Modem的接口是簡單的SCI串行口。

方案的供電十分簡單：一路12V--供給線路放大器，用于驅(qū)動PLC信號耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。

3.1 AMIS-49587功能框圖

我們再了解一下AMIS-49587的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

AMIS-49587的核心是一個32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運行S-FSK調(diào)制解調(diào)的算法，同時也管理著與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲存在片內(nèi)ROM中。

芯片左邊是模擬部分：FSK信號合成輸出、接收解調(diào)以及系統(tǒng)時鐘和50Hz的鎖相環(huán)。

芯片包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。變壓器驅(qū)動由于是功率放大部分成為收發(fā)器板上的發(fā)熱源。為了防止高熱可能給系統(tǒng)精度帶來影響，AMIS-49587并沒有把信號的功率驅(qū)動納入這顆IC中，而是采用外置方案。

3.2 獨特的系統(tǒng)中繼方案

在網(wǎng)絡(luò)通訊中，長距離的信息傳送需要中繼來實現(xiàn)。安森美半導體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進行中繼。在這種中繼方案中，系統(tǒng)沒有需要預先設(shè)定的中繼器Repeater。其核心理念是每一個服務(wù)器端（即電表）都可以是其它服務(wù)器的Repeater，幫助把信息或命令接續(xù)