電力線MODEM芯片ST7536
關(guān)鍵詞:低壓電力線 MODEM ST7536 電力線接口
隨著國(guó)家電力公司“一戶一表、抄表到戶”用電管理模式的推廣和普及,利用220V低壓電力線傳輸信息的載波集抄系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。這樣電力載波技術(shù)成為抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用的是FSK電力線載波調(diào)制技術(shù)。
低壓電力線是為傳輸50Hz的工頻電能而鋪設(shè)的。由于不是為通信鋪設(shè)的,故其特性往往較難直接滿足載波通信的要求。這直接體現(xiàn)在兩方面:第一、電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性及其衰減,制約了信號(hào)的傳輸距離;第二、低壓電力線上的噪音干擾,制約了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。
由于在低壓電力線上存在諸多使載波信號(hào)的信噪比急劇下降的因素,使得載波信號(hào)難以在一個(gè)供電區(qū)域內(nèi)較好地傳輸,這樣就須選取合適的低壓電力線MODEM。在應(yīng)用中,我們選擇了歐洲ST公司的電力載波調(diào)制解調(diào)器芯片ST7536。
一、ST7536芯片介紹
ST7536是一種半雙工、同步的FSK MODEM。它專為低壓電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)。用ST7536構(gòu)造一個(gè)完整的通信系統(tǒng),還必須包括1個(gè)微控制器(單片機(jī))和1個(gè)電力線接口,如圖1所示。這樣的系統(tǒng)能夠在4個(gè)不同的信道上以2種不同的數(shù)據(jù)傳輸率(600和1200bps)進(jìn)行發(fā)送和接收。
ST7536是單芯片MODEM,有28個(gè)引腳;它是半雙工的,有發(fā)送和接收兩種工作模式;它又是同步的,因?yàn)閿?shù)據(jù)的發(fā)送和接收與時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)。時(shí)鐘信號(hào)由ST7536內(nèi)部產(chǎn)生。ST7536芯片還需要一些外部元件來(lái)完成所有操作:1個(gè)晶振,4個(gè)電阻和5個(gè)電容。
1.ST7536芯片引腳
ST7536芯片引腳如圖2所示。
2.ST7536芯片引腳說(shuō)明
ST7536芯片引腳說(shuō)明如表1所列。
表1
引 腳 | 名 稱 | 類 型 | 說(shuō) 明 |
1 | Rx/Tx | 數(shù)字 | 發(fā)送或接收模式選擇輸入 |
2 | RESET | 數(shù)字 | 邏輯復(fù)位和電源關(guān)閉模式輸入。低有效 |
3 | TEST4 | 數(shù)字 | 測(cè)試輸入,選擇發(fā)送頻段濾波器。高有效 |
4 | TEST3 | 數(shù)字 | 測(cè)試輸入,進(jìn)入時(shí)鐘恢復(fù)輸入階段。TEST1為高時(shí)選擇輸入 |
5 | RxD | 數(shù)字 | 同步接收數(shù)據(jù)輸出 |
6 | CLR/T | 數(shù)字 | 和功能模式相關(guān)的發(fā)送接收時(shí)鐘輸出 |
7 | RxDEM | 數(shù)字 | 解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出 |
8 | DGND | 電源 | 數(shù)字地 |
9 | DVDD | 電源 | 數(shù)字正電壓:5(10.05)V |
10 | TEST1 | 數(shù)字 | 測(cè)試輸入,取消發(fā)送到接收模式的自動(dòng)切換,使TEST3輸入有效。高有效 |
11 | TEST2 | 數(shù)字 | 測(cè)試輸入,減小發(fā)送到接收模式自動(dòng)切換的時(shí)間。高有效 |
12 | TxD | 數(shù)字 | 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入 |
13 | XTAL2 | 數(shù)字 | 振蕩器輸出 |
14 | XTAL1 | 數(shù)字 | 振蕩器輸入 |
15 | CHS | 數(shù)字 | 信道選擇輸入 |
16 | BRS | 數(shù)字 | 波特率選擇輸入 |
17 | AFCF | 模擬 | 自動(dòng)頻率控制輸出,連接外部補(bǔ)償電路 |
18 | DVss | 電源 | 數(shù)字負(fù)電壓:-5(10.05)V |
19 | IFO | 模擬 | 中間頻率濾波器輸出 |
20 | DEMI | 模擬 | FSK解調(diào)輸入 |
21 | AVss | 電源 | 模擬負(fù)電壓:-5(10.05)V |
22 | AGND | 電源 | 模擬地:0V |
23 | AVDD | 電源 | 模擬正電壓:5(10.05)V |
24 | RAI | 模擬 | 接收模擬輸入 |
25 | RxFO | 模擬 | 接收濾波器輸出 |
26 | TxFI | 模擬 | 發(fā)送濾波器輸入(TEST4為高電被選中) |
27 | ALCI | 模擬 | 自動(dòng)等級(jí)控制輸入 |
28 | ATO | 模擬 | 模擬發(fā)送輸出 |
從功能上看,這28個(gè)引腳可大致分為如下11類。
?。?)電源供應(yīng)輸入:DGND、DVDD,DVSS,AVSS,AGND,AVDD。 ST7536內(nèi)部有數(shù)字和模擬兩個(gè)獨(dú)立的電源供應(yīng);而外部的電源供應(yīng)是應(yīng)該接在一起的。
?。?)信道和波特率的選擇:CHS、BRS。 ST7536提供600和1200baud兩種波特率,通過(guò)BRS選擇;對(duì)每種波特率,ST7536提供兩個(gè)信道,通過(guò)CHS來(lái)選擇。具體情況如表2所列。
表2
BRS | CHS | 波特率/baud | 頻率/kHzTxD=1 | 頻率/kHzTxD=0 |
0 | 0 | 600 | 81.75 | 82.35 |
0 | 1 | 600 | 67.20 | 67.80 |
1 | 0 | 1200 | 71.40 | 72.60 |
1 | 1 | 1200 | 85.95 | 87.15 |
(3) 振蕩器輸入、輸出:XTAL1、XTAL2。
ST7536的內(nèi)部振蕩器需要1個(gè)外部11?0592MHz的晶振和2個(gè)電容。也可以直接往振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào),這種情況下晶振和電容都不必要了。
?。?)自動(dòng)頻率控制的穩(wěn)定:AFCF。
自動(dòng)頻率控制部分調(diào)節(jié)發(fā)送/接收頻段濾波器的中心頻率。這部分功能的穩(wěn)定性由外接的電阻電容網(wǎng)絡(luò)電路來(lái)保證。
(5)自動(dòng)等級(jí)控制輸入:ALCI。
自動(dòng)等級(jí)控制處理發(fā)送信號(hào)的最后輸出。它使得功率放大器的輸出電壓不受電力線網(wǎng)絡(luò)變化的影響。一般電力線網(wǎng)絡(luò)的電阻在5~100Ω。如果電力線電阻改變了,則放大器的輸出也相應(yīng)改變。自動(dòng)等級(jí)控制輸入可以糾正這些輸出變化。為了控制電力線接口的輸出,需要一個(gè)反饋信號(hào),這個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大器來(lái)傳送。自動(dòng)等級(jí)控制可以以32步,每步0.84dB來(lái)減小最大的發(fā)送輸出值。探測(cè)自動(dòng)等級(jí)控制輸入的峰值,和兩個(gè)參考電壓相比較,進(jìn)行相應(yīng)處理。這樣保證輸入的放大器反饋信號(hào)的峰值電壓在兩個(gè)參考電壓之間。
?。?) 數(shù)據(jù)輸入和輸出:RxD、CLR/T、RxDEM、TxD。
ST7536是同步的調(diào)制解調(diào)器,數(shù)據(jù)輸入和輸出都和時(shí)鐘(CLR/T)有關(guān)。發(fā)送模式下,ST7536自己產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),發(fā)送的數(shù)據(jù)在CLR/T的上升沿被采樣,所以這時(shí)TxD有效。接收模式下,解調(diào)后的數(shù)據(jù)在引腳RxDEM上有效,時(shí)鐘恢復(fù)電路從解調(diào)后的數(shù)據(jù)中取得時(shí)鐘信號(hào),在CLR/T上升沿發(fā)送同步數(shù)據(jù)(RxD)。
(7)測(cè)試輸入:TEST1、TEST2、TEST3、TEST4。
TEST2、TEST3、TEST4通常不用,被置成0V;TEST1可用來(lái)取消發(fā)送到接收模式的自動(dòng)切換。
?。?)中間頻率濾波器輸出和FSK解調(diào)輸入:IFO、DEMI。 這兩個(gè)引腳之間通過(guò)1個(gè)電容來(lái)連接。
?。?)接收輸入和發(fā)送輸出:RAI、ATO。
RAI是ST7536的接收模擬輸入。它和電力線接口的接收輸出相連,最大輸入電壓的均方根值是2V。接收靈敏度的均方根值在信道1和信道2(600 baud)上是2mV;在信道3和信道4(1200 baud)上是3mV。 ATO是ST7536的發(fā)送輸出,它和電力線接口的發(fā)送輸入相連。模擬發(fā)送輸出由自動(dòng)等級(jí)控制輸入電路來(lái)調(diào)整。最大輸出電壓的峰-峰值是3.5V,二次諧波失真大約為-53 dB。
?。?0)接收/發(fā)送控制輸入:Rx/x。
ST7536是半雙工的調(diào)制解調(diào)器,所以有發(fā)送和接收兩種操作模式。模式選擇取決于Rx/x輸入。如果這個(gè)輸入為“0”,超過(guò)3s,ST7536自動(dòng)切換回接收模式。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以使用TEST1輸入。只要把TEST1輸入置為“1”,就可以禁止模式的自動(dòng)切換。
?。?1)重啟輸入:RESET。
3.ST7536芯片功能結(jié)構(gòu)圖
ST7536芯片功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
4.ST7536芯片工作流程說(shuō)明
發(fā)送模式:TxD在時(shí)鐘(CLR/T)的上升沿被采樣,然后數(shù)據(jù)進(jìn)入FSK調(diào)制器。調(diào)制器在由時(shí)基和控制邏輯所設(shè)置的頻率上工作。通常情況下,多路開(kāi)關(guān)(MUX)選擇FSK調(diào)制器信號(hào)送到發(fā)送濾波器。發(fā)送濾波器是可切換的電容頻段濾波器。時(shí)基和控制邏輯使用自動(dòng)頻率控制(AFC)在發(fā)送頻率上設(shè)置這個(gè)濾波器,它也和所選擇的信道相關(guān)。濾波后,待發(fā)送信號(hào)進(jìn)入一個(gè)自動(dòng)等級(jí)控制(ALC)。這個(gè)控制用來(lái)克服電力線阻抗變動(dòng)問(wèn)題。因?yàn)殡娏€本身特性就有頻繁而且不可預(yù)測(cè)的變動(dòng)。自動(dòng)等級(jí)控制利用來(lái)自電力線接口的一個(gè)反饋信號(hào)(ALCI)來(lái)調(diào)節(jié)最終的發(fā)送輸出信號(hào)(ATO)。
接收模式:信號(hào)進(jìn)入芯片接收模擬輸入引腳(RAI)。接收信號(hào)在接收頻段濾波器中進(jìn)行濾波。接收濾波器和發(fā)送濾波器類似,也是一個(gè)可切換的電容濾波器。自動(dòng)頻率控制用來(lái)設(shè)置合適的頻率。信號(hào)被放大,接著被轉(zhuǎn)換,再由頻段濾波器進(jìn)行濾波。這樣處理后的信號(hào)被送到FSK解調(diào)器。頻段濾波器輸出(IFO)和FSK解調(diào)輸入(DEMI)通過(guò)一個(gè)外部電容來(lái)連接,這個(gè)電容能夠去掉最后的偏移電壓。時(shí)鐘恢復(fù)電路從FSK解調(diào)器的解調(diào)輸出(RxDEM)中得到接收時(shí)鐘(CLR/T)。同步接收到的數(shù)據(jù)(RxD)在時(shí)鐘的上升沿被有效發(fā)送出去。
時(shí)基部分發(fā)送所有內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào),這些信號(hào)來(lái)自11.0592MHz的晶振。振蕩器連接X(jué)TAL1和XTAL2兩個(gè)引腳。也可以直接在XTAL1引腳上提供時(shí)鐘信號(hào)來(lái)取代使用上面的晶振。
為了調(diào)試芯片,測(cè)試外部電路,ST7536提供了幾個(gè)測(cè)試選項(xiàng)。用發(fā)送頻段濾波器上的一個(gè)直接輸入就可以觀察發(fā)送頻段濾波器的工作情況。如果TEST4=1,那么多路開(kāi)關(guān)就選擇這個(gè)發(fā)送濾波器輸入(TxFI)。接收頻段濾波器在25引腳輸出。最后,TEST1=1時(shí)可以觀察到時(shí)鐘恢復(fù)的情況,這時(shí)TEST3輸入直接作為時(shí)鐘恢復(fù)模塊的輸入。
二、ST7536的外圍電路――電力線接口
電力線接口(PLI)連接著ST7536芯片和低壓電力線。圖4是根據(jù)ENEL規(guī)范設(shè)計(jì)的一種電力線接口電路。
在發(fā)送模式下,電力線接口把來(lái)自ST7536芯片ATO的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。緩沖區(qū)的作用是保護(hù)ST7536,并且驅(qū)動(dòng)電力線接口中的下一個(gè)部件。低通濾波器(LPF)的作用是抑制諧波。濾波后的信號(hào)被送入功率放大器,這個(gè)功率放大器通過(guò)轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)阻抗為1~100Ω的電力線。此外,放大器也進(jìn)行頻段濾波,來(lái)抑制發(fā)送信號(hào)的二次諧波。
在接收模式下,轉(zhuǎn)換器從電力線上取得信號(hào),在預(yù)放大器中進(jìn)行放大,再送給ST7536的接收輸入引腳RAI。這種模式下,為了避免功率放大器的低輸出阻抗所造成接收信號(hào)的衰減,關(guān)閉緩沖器和功率放大器。
三、ST7536芯片的一個(gè)應(yīng)用
以上詳細(xì)介紹了ST7536芯片。下面簡(jiǎn)單介紹這個(gè)芯片的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,給出ST7536和單片機(jī)及電力線接口簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖,如圖5所示。
結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)介紹了低壓電力載波MODEM ST7536芯片的結(jié)構(gòu)、原理及具體應(yīng)用。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中,ST7536工作高效而穩(wěn)定,較好地解決了利用低壓電力線載波傳輸中的技術(shù)問(wèn)題。這對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)利用電力線上INTERNET也有參考價(jià)值。
評(píng)論