CEBus電力線通信模塊在智能小區(qū)中的應(yīng)用

電力線通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在電力輸送網(wǎng)基礎(chǔ)上的、實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間通信的系統(tǒng)^［1］。近幾年，與電信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)相比，電力線通信網(wǎng)以其資源廣闊、與家庭結(jié)合緊密等優(yōu)勢(shì)日益引起人們的關(guān)注，并得到快速發(fā)展。PLC的應(yīng)用已不限于簡單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，歐美一些國家正研究其在智能化小區(qū)及接入網(wǎng)方面的應(yīng)用，這是信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息家電出現(xiàn)的必然趨勢(shì)。專用通訊模塊的設(shè)計(jì)決定了這些功能是否能高質(zhì)量、低成本地實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)的安全性能和電力線高壓危險(xiǎn)的防護(hù)。

1　基于Chirps的擴(kuò)頻載波通訊技術(shù)和CEBus協(xié)議
1.1　基于Chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)
　　對(duì)電力線這一強(qiáng)背景噪聲的信道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段就是擴(kuò)頻(Spread Spectrum，SS)技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)就是用偽隨機(jī)碼將載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)送。這樣，在接收端使用恰當(dāng)?shù)氖侄尉涂梢詫⑿盘?hào)提取出來，從而減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上的可靠通信。
　　如圖1所示，寬帶線性調(diào)頻利用一組掃描頻率作為載體，信號(hào)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，可獲得很大的擴(kuò)頻增益。

　　該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續(xù)脈沖，又稱作“chirps”，每個(gè)chirps一般持續(xù)100μs，他代表了最基本的單位通信符號(hào)時(shí)間(UST)。他可通過不同的UST組合來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其最大速率為10 kb/s。按照CEBus標(biāo)準(zhǔn)，這些信號(hào)頻率覆蓋了100～400 kHz的帶寬。在Intellon公司的SSCP300芯片中，掃描總是以200 kHz的頻率開始和結(jié)束，也就是說：400 kHz和100 kHz的頻率總是在每一個(gè)chirps的中間，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行掃描信號(hào)的諧波抑制，并使數(shù)據(jù)傳輸中位與位之間的過渡變得比較平滑^［2］。另外，此種chirps波形具有很強(qiáng)的獨(dú)立性。
1.2　CEBus協(xié)議簡介
　　 CEBus是專門為家用電子產(chǎn)品通訊而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又稱作FLA－600協(xié)議^[3]。美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronicw Industry Association,EIA)聯(lián)合其他廠商，在1989年制定出一套家庭自動(dòng)化控制規(guī)格的初步草案并在1992年發(fā)布，命名為CEBus(Consumer Electronic Bus)，目標(biāo)是建立一個(gè)針對(duì)家用電子產(chǎn)品的開放性協(xié)議；開發(fā)一套通用的、廉價(jià)的、與制造廠家無關(guān)的通訊方法；允許用戶以很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中加入新的家電產(chǎn)品；減少家用電子產(chǎn)品設(shè)備功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成為美國ANSI標(biāo)準(zhǔn)。
　　如圖2所示，CEBus采用簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層使用7種不同媒介，包括電力線、雙絞線、同軸電纜等，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合需要。CEBus的網(wǎng)絡(luò)完全面向報(bào)文分組(packet)，使用載波偵聽多路訪問和沖突檢測(cè)協(xié)議(CSMA)。采用“公共應(yīng)用語言”(Common Application Language，CAL)，設(shè)備之間可以互相訪問，從而知道一個(gè)設(shè)備所有的資源，工作狀態(tài)，并可控制該設(shè)備。

1.3　SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器簡介
　　Intellon公司的SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器是一種與CEBus總線兼容、高度集成的電力線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)控制器。他利用傳輸穩(wěn)定可靠、通信保密程度高的擴(kuò)頻載波技術(shù)，通過CRC校驗(yàn)，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的安全傳遞。SSCP300提供了數(shù)據(jù)鏈接層(DLL)的控制邏輯，符合EIA－600標(biāo) 準(zhǔn)的通道訪問及通信服務(wù)，基于chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)的電力線信號(hào)收發(fā)器，信號(hào)調(diào)整電路以及同數(shù)據(jù)處理及控制部分聯(lián)接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口電路。

2　基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊模塊的典型應(yīng)用
2.1　硬件設(shè)計(jì)
　　應(yīng)用這種基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊芯片SSCP300組成的通訊模塊如圖3所示。

　　通訊模塊由3部分構(gòu)成：第1部分為微控制器，用于P300的通信及執(zhí)行特殊工作；第2部分為P300，他提供數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層的協(xié)議服務(wù)；第3部分為電力線模擬功能，包括將信號(hào)耦合到媒體上，放大發(fā)送信號(hào)以及對(duì)輸入信號(hào)的濾波。
2.2　仿真研究
　　2.2.1　輸入濾波器
　　電力線上的干擾很大也很不確定，需要一個(gè)帶通濾波器，僅將帶寬100～400 kHz的信號(hào)送入P300的輸入端^［2］。由模擬帶通濾波器的傳遞函數(shù)及相關(guān)設(shè)計(jì)參考，構(gòu)造出了如圖4所示的無源六級(jí)LC濾波器。

　　 對(duì)該帶通濾波器進(jìn)行性能仿真得到如圖5所示仿真結(jié)果。