基于電力載波通信的新型同步電子鐘設(shè)計(jì)

摘要：為了解決當(dāng)前一些重大考試需要懸掛時(shí)鐘的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型同步數(shù)字電子時(shí)鐘系統(tǒng)。應(yīng)用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電子鐘的遠(yuǎn)程同步控制。介紹了系統(tǒng)的組成及工作原理，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、低成本的同步控制方案。
關(guān)鍵詞：同步時(shí)鐘；電力載波通信；SC1128；PCF8563

0 引言
近年來(lái)，隨著電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)的發(fā)展，電力線載波通信已大量地應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，如電力線上網(wǎng)、電力載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制等。
電力線載波通信技術(shù)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號(hào)的一種通信方式，該技術(shù)是把載有高頻調(diào)制的信息加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻調(diào)制信息從電流中分離出來(lái)并傳送至計(jì)算機(jī)或其他相應(yīng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。由于電力線載波通信技術(shù)以電力線路為傳輸通道，具有較高的傳輸可靠性，較低的線路衰減，以及不需要通信線路建設(shè)的基建投資和日常維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，使得這種技術(shù)變得方便、成本低、易實(shí)現(xiàn)。
本文介紹一種基于低壓電力載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的同步數(shù)字電子鐘系統(tǒng)。傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步，通常需要到每個(gè)時(shí)鐘處手動(dòng)校準(zhǔn)。這項(xiàng)工作不僅效率低下，而且還存在人為誤差，不能滿足現(xiàn)代化管理的需求。使用基于電力載波通信的同步時(shí)鐘，不僅成本低，而且能夠圓滿地解決上述問(wèn)題。該系統(tǒng)利用低壓供電電路，由主機(jī)發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)，由載波通信模塊通過(guò)電力線傳輸，從機(jī)接收信號(hào)后，調(diào)整時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電子鐘的同步運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。一部分是同步時(shí)鐘的控制終端，作為主機(jī)系統(tǒng)，另一部分是從機(jī)系統(tǒng)。所有從機(jī)結(jié)構(gòu)都一樣，臺(tái)數(shù)依實(shí)際需要確定，不受限制。系統(tǒng)采用220V低壓供電線路作為通信媒介。主機(jī)及從機(jī)系統(tǒng)主要由單片機(jī)、PCF8563時(shí)間芯片、SC1128擴(kuò)頻載波芯片、輸出功率放大器、帶通濾波器、前級(jí)放大電路、耦合電路、鍵盤(pán)陣列輸入、顯示輸出等組成。主機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52作為控制芯片，增加RS 232或USB串行接口，以便與PC機(jī)通信。PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可與Internet時(shí)間同步，從而使系統(tǒng)能與Internet時(shí)間同步。從機(jī)單片機(jī)采用AT89C2051作為控制芯片。從機(jī)設(shè)置一個(gè)運(yùn)行方式開(kāi)關(guān)，可在同步運(yùn)行方式或獨(dú)立運(yùn)行兩種方式下工作。若工作于同步方式：由主機(jī)發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)，由載波通信模塊通過(guò)電力線傳輸，從機(jī)接收信號(hào)后，調(diào)整時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電子鐘的同步運(yùn)行。若工作于獨(dú)立方式：從時(shí)鐘芯片PCF8563讀取時(shí)間。用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入時(shí)間或修改時(shí)間。

時(shí)鐘芯片采用Philips公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)的PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線接口串行傳遞。
1．2 電力載波通信模塊
由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，決定了其結(jié)構(gòu)和通信環(huán)境的復(fù)雜性，如：噪聲干擾強(qiáng)、干擾信號(hào)時(shí)變性強(qiáng)、信號(hào)衰減大、信道容量小等。因此在該系統(tǒng)中，選擇由北京智源利和微電子技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的電力線載波調(diào)制芯片SC1128，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
該芯片專門(mén)針對(duì)中國(guó)低壓電網(wǎng)特性而設(shè)計(jì)，是一款適合中國(guó)低壓電網(wǎng)特性的數(shù)據(jù)傳輸專用芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，該芯片應(yīng)用在電力線通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。該芯片采用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)?；旌蠈Ｓ秒娐?，應(yīng)用先進(jìn)的擴(kuò)頻通信技術(shù)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)，是面向低壓電力線低速率通信市場(chǎng)需要的專用擴(kuò)頻Modem芯片。而且SC1128價(jià)位較低，可以為民用市場(chǎng)所接受。其電路內(nèi)部集成了擴(kuò)頻器、DAC和ADC、輸出驅(qū)動(dòng)器、輸入信號(hào)放大器、工作電壓檢測(cè)器、看門(mén)狗電路、串／并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統(tǒng)應(yīng)用中可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。
SC1128芯片是采用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)／模混合電路。其功能特點(diǎn)如下：
(1)直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；
(2)發(fā)射信號(hào)分為兩種形式輸出：一種是經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器后正弦緩沖器輸出，諧波成份少；另一種以高壓開(kāi)漏緩沖器輸出，應(yīng)用成本低；
(3)輸入信號(hào)放大器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前置放大；
(4)內(nèi)置看門(mén)狗電路，監(jiān)視系統(tǒng)程序的工作狀態(tài)；
(5)內(nèi)置電壓監(jiān)測(cè)器，監(jiān)視電源電壓的變化，并及時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；
(6)內(nèi)置電子表電路(24小時(shí)制)，滿足對(duì)不同時(shí)間段記費(fèi)率的要求(支持掉電工作)；
(7)內(nèi)置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與MCU之間的控制命令和數(shù)據(jù)交換；
(8)63位擴(kuò)頻碼，數(shù)據(jù)速率典型值為5．75 Kb／s；
(9)捕獲門(mén)限值從200～6 290由軟件設(shè)定；
(10)內(nèi)置64×8 SRAM存儲(chǔ)器(支持掉電工作)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)暫存；
(11)提供QFP-44線封裝形式(LQFP-44PIN)；
(12)單+5 V電壓工作。
1．3 電力載波模塊與單片機(jī)的通信
SC1128第28腳為電路工作主時(shí)鐘的1／2的晶振輸出(其峰峰值約為4 V)，近似正弦波；32腳為電壓監(jiān)測(cè)端；33腳為看門(mén)狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768 ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門(mén)狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出1／3占空比的復(fù)位脈沖；35腳與32腳配合，當(dāng)電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出低電平，當(dāng)高于監(jiān)測(cè)值，則輸出高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接收同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)；39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端；41腳為片選輸入端。SC1128與AT89C2051單片機(jī)的接口電路如圖3所示，SC1128與AT89S52單片機(jī)的接口電路可參照?qǐng)D3，基本相同。

數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下：
當(dāng)主機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端(36腳)置高，SC1128芯片輸出同步脈沖(37腳)，單片機(jī)通過(guò)TX端(38腳)同步發(fā)送數(shù)據(jù)。
當(dāng)從機(jī)處于接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端(36腳)置低，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則發(fā)射同步脈沖(37腳)，通過(guò)TX端(38腳)將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。

2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件分為主機(jī)與從機(jī)兩部分。主機(jī)與從機(jī)流程圖如圖4，圖5所示。

主機(jī)通過(guò)RS 232或者USB與PC機(jī)通信，以便上網(wǎng)與Internet時(shí)鐘同步，系統(tǒng)將時(shí)間值保存在時(shí)鐘芯片PCF8563中，單片機(jī)每隔0．5 s從PCF8563中讀取一次數(shù)值，按照規(guī)定的格式及要求發(fā)給SC1128擴(kuò)頻載波芯片，由SC1128擴(kuò)頻載波芯片將數(shù)據(jù)調(diào)制到低壓供電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行廣播傳輸。從機(jī)單片機(jī)將電力線上加載的時(shí)鐘調(diào)制信號(hào)經(jīng)耦合電路耦合將數(shù)據(jù)送往輸入帶通濾波器濾波及前級(jí)放大電路進(jìn)行放大，再由12腳進(jìn)入SC1128擴(kuò)頻載波芯片做進(jìn)一步處理，根據(jù)通信協(xié)議解析出中央控制端發(fā)送的時(shí)間值并輸出顯示。為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘奶岣?，誤碼率的降低，數(shù)據(jù)需要重復(fù)發(fā)送3次。
主機(jī)和從機(jī)之間數(shù)據(jù)的交換采用的串行異步通信方式，基于通信協(xié)議，使用一個(gè)8位的unsigned char變量作為接收窗口。具體載波信號(hào)發(fā)射接收過(guò)程如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了電力線載波通信技術(shù)在同步電子鐘系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用了電力網(wǎng)絡(luò)本身的方便，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘的中央控制。系統(tǒng)具有成本低、易實(shí)現(xiàn)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性價(jià)比較高、新型的控制方式。系統(tǒng)既可同步運(yùn)行又可獨(dú)立運(yùn)行?，F(xiàn)在各種考試考場(chǎng)都需要掛鐘，此系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。