DC 應(yīng)用的電力線通信實施

　　引言

　　電力線通信(PLC)是一種通過現(xiàn)有電力線纜發(fā)送數(shù)據(jù)的通信技術(shù)。該技術(shù)可采用半雙工方式在PLC節(jié)點之間傳輸電力與數(shù)據(jù)。由于能通過相同線路同時傳輸電力及數(shù)據(jù)，因此PLC技術(shù)無需使用額外線路與設(shè)備互聯(lián)。PLC可為各種廣泛應(yīng)用提供低成本通信媒介，充分滿足可能采用其它技術(shù)組網(wǎng)成本過高的環(huán)境需求。作為通信技術(shù)，PLC可分為兩大類：

　　●寬帶PLC適合互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡(luò)連接。它一般工作在較高頻率(1.8至250MHz)

　　和高數(shù)據(jù)速率(高達(dá)數(shù)百Mbps)下，多為較短距離應(yīng)用使用。

　　●窄帶PLC適用于需要窄帶控制或低帶寬數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，這些應(yīng)用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率(3到500KHz)和較低數(shù)據(jù)速率(幾百kbps)下，具有較大的覆蓋范圍(達(dá)數(shù)公里)，該覆蓋范圍可通過中繼器擴大。

　　根據(jù)底層電力線特征，PLC還可進(jìn)一步細(xì)分為AC電力線PLC和DC電力線PLC.

　　世界各地許多公共事業(yè)單位都選擇AC線路窄帶PLC用于其智能電網(wǎng)項目。他們通過按日、甚至按設(shè)備或應(yīng)用監(jiān)控用電情況，提供能夠激勵消費者調(diào)整用電的定價結(jié)構(gòu)，從而可減輕峰值負(fù)荷，避免興建新的電廠。

　　PLC在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的廣泛采用已引起對AC電力線PLC的高度重視。不過在家庭網(wǎng)絡(luò)、照明和太陽能應(yīng)用以及交通運輸車輛(飛機、汽車和列車中的電子控制)中，DC電力線窄帶PLC也在興起。在這些應(yīng)用中使用PLC，可降低布線復(fù)雜性、重量以及通信的最終成本。

　　在本文中，我們將重點介紹DC電力線PLC的使用，并提供可幫助客戶迅速有效采用這一技術(shù)的參考設(shè)計。

　　系統(tǒng)集成人員常提出這樣的問題：如何比較DC電力線PLC和低功耗無線技術(shù)的優(yōu)劣?雖然DC線路PLC和低功耗無線都不需要新電線布置，但使用PLC時，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運營商或公共事業(yè)單位所有，因此不存在共享帶寬風(fēng)險。PLC沒有視線限制，不受天氣影響。

　　DC PLC解決方案的高靈活性

　　開發(fā)一款有效PLC解決方案有其難度。一般電力線噪聲大，需要穩(wěn)健的系統(tǒng)架構(gòu)才能確保數(shù)據(jù)可靠性。每個最終應(yīng)用及工作環(huán)境都不同，因此需要靈活的設(shè)計來適應(yīng)各種不同的條件。系統(tǒng)設(shè)計人員需要一款高靈活平臺，其不僅可幫助他們根據(jù)每種應(yīng)用的具體要求優(yōu)化設(shè)計，而且還能讓設(shè)計適應(yīng)未來出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)和新市場機遇。通過這種方式，可以在多種應(yīng)用中重復(fù)使用知識產(chǎn)權(quán)，加速開發(fā)及產(chǎn)品上市進(jìn)程，并不斷擴大市場機遇。

　　實現(xiàn)高靈活性的關(guān)鍵點是軟硬件的模塊化架構(gòu)。將復(fù)雜的PLC系統(tǒng)拆分為多個獨立子系統(tǒng)，開發(fā)人員可在無需全部重新設(shè)計整個系統(tǒng)的情況下修改設(shè)計的某個方面(比如所使用的調(diào)制方案或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)。各種可實現(xiàn)應(yīng)用的部分實例包括：

　　●調(diào)制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開發(fā)人員為具體應(yīng)用實施最高效率的調(diào)制方案。例如針對窄帶通信提供的幾個調(diào)制方案，包括展頻移鍵(S-FSK)與正交頻分多路復(fù)用(OFDM)調(diào)制等;

　　●通信協(xié)議：為實現(xiàn)互操作性，設(shè)備可能需要符合具體協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員通過使用高靈活平臺，既可輕松實施常用的PLC標(biāo)準(zhǔn)(包括S-FSK (IEC61334)、PRIME和G3)，也可實施能滿足其應(yīng)用特定需求的定制協(xié)議。

　　圖1：PLC通信協(xié)議的比較

　　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對窄帶DC PLC應(yīng)用規(guī)定很少，而且在許多應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)處于獨立狀態(tài)。在這些情況下，可以使用較為簡單的通信協(xié)議棧。這類較簡單專有協(xié)議棧的一個具體實例是德州儀器(TI)的PLC-Lite(圖1)。該協(xié)議棧特別適合不需要G3及PRIME復(fù)雜性、但仍然需要穩(wěn)健通信通道的低成本環(huán)境及應(yīng)用。

　　對于樓宇網(wǎng)絡(luò)(只需幾Kbps)中的簡易燈泡或墻壁開關(guān)而言，PLC-Lite是理想的解決方案。PLC-Lite不僅提供21Kbps的最大數(shù)據(jù)速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對某種類型的干擾提供更高的穩(wěn)健性，其中包括可影響G3鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite包含簡單的載波感測多路訪問與沖突避免(CSMA/CA)介質(zhì)訪問控制(MAC)層，其能夠與任何應(yīng)用協(xié)議棧集成。

　　由于結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)速率較低，因此PLC-Lite每鏈路的實施成本明顯較低。此外，它還可帶來極高的靈活性，允許設(shè)計人員在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限制以外定制通道鏈路。圖2是PLC-Lite完整特性集的總括。

　　圖2：TI PLC-Lite的特性

　　電力線接口挑戰(zhàn)

　　對于DC PLC實施而言，在系統(tǒng)中連接電力線會帶來另一重需要解決的挑戰(zhàn)。部分特定問題方面包括：

　　●多重節(jié)點支持的阻抗控制;

　　●任何電源開關(guān)的PLC濾波;

　　●實現(xiàn)可靠AC耦合所需的電力線耦合保護電路。

　　(1)多節(jié)點支持

　　大多數(shù)DC PLC實施需要支持通過單根電力線總線連接的大量節(jié)點(幾十個到幾百個)，以帶來實用性。要讓傳輸信號在沒有明顯衰減的情況下達(dá)到所有節(jié)點，主要要求體現(xiàn)為我們熟悉的等式：

　　源阻抗 << 負(fù)載阻抗(等式 1)

　　我們會在參考設(shè)計中說明如何達(dá)到這一點。對于以下分析，假設(shè) PLC-Lite 的調(diào)制頻率大約為 40KHz。我們隨后可計算 PLC 節(jié)點的源阻抗(等式 2)。

　　(等式 2)

　　其中：

　　c = C6 = 22 μF(圖 3)

　　圖 3：輸入耦合級電路

　　假設(shè)給定接收器節(jié)點的負(fù)載阻抗和在發(fā)送器節(jié)點上看到的一樣，大約為 30Ohm。在新增多個節(jié)點時，由于負(fù)載是阻抗的并聯(lián)組合，因此可降低該負(fù)載阻抗。例如，如果系統(tǒng)中有九個節(jié)點，就可計算通過一個發(fā)送器節(jié)點可以看到的總體負(fù)載阻抗，如等式 2 所示。

　　下面以兩種情況為例。一種情況是：一個發(fā)送器(主)節(jié)點和四個接收器(從)節(jié)點。另一種情況是：一個主節(jié)點和九個從節(jié)點。根據(jù)等式 2 的計算，源阻抗要求會隨從節(jié)點數(shù)量的變化而變化。

　　● 9 個(接收器)+ 1 個(發(fā)送器)= 10 個 PLC 節(jié)點，負(fù)載阻抗 = 30/10 = 3 Ohms;

　　● 4 個(接收器)+ 1 個(發(fā)送器)= 5 個 PLC 節(jié)點，負(fù)載阻抗 = 30/5 = 6 Ohms

　　圖 4：一個發(fā)送器、沒有接收器的測試結(jié)果

　　圖 5：1 個發(fā)送器和 4 個接收器的測試結(jié)果

　　如圖 4、圖 5 所示，隨著從節(jié)點的增多，調(diào)制信號的幅度有明顯變化。在前面的設(shè)置中，DC 線路是以探針方式與示波器連接的(AC 耦合)。按下 PLC 節(jié)點上的一個外部開關(guān)，即可觸發(fā)示波器，隨后生成一個 PLC 通信猝發(fā)。

　　(2)任何電源開關(guān)的PLC濾波

　　DC PLC設(shè)計過程中的另一個挑戰(zhàn)是PLC節(jié)點必須使用DC電源才能生成本地電壓(15V、3.3V)并調(diào)制相同的DC電源。如果不采用適當(dāng)?shù)臑V波技術(shù)，在這種情況下DC/DC開關(guān)電源就會對PLC調(diào)制造成干擾。

　　圖6：電源濾波電路

　　如圖6所示，低通濾波器可將PLC調(diào)制信號從開關(guān)穩(wěn)壓器中分開。低通濾波器的Fc可根據(jù)PLC調(diào)制占用的頻帶進(jìn)行計算。由于PLC Lite占用42KHz到90KHz，因此在L=360μH(180μH + 180μH)和C=1μF時，該低通濾波器的Fc就為：

　　(3)可靠AC耦合的電力線耦合保護電路

　　APLC模擬前端(AFE)會受DC電源浪涌的影響。因此必須設(shè)計AC耦合級，PLC節(jié)點才能在惡劣環(huán)境中可靠工作。

　　圖7：第一級AC耦合

　　圖8：第二級AC耦合

　　為確保整體系統(tǒng)可靠性，DC線路不直接AC耦合至AFE器件。該線路會經(jīng)過兩級AC耦合流程(圖7、圖8)。在第一級中，DC線路先AC耦合至一個有TVS保護的中間級，這樣可針對43.5A的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在9.2V.在該級中共模偏向接地。在第二級AC耦合中，數(shù)據(jù)在7.5V DC偏置電壓下AC耦合至AFE器件。

　　參考設(shè)計

　　DC(額定24V)電力線通信(PLC)參考設(shè)計旨在作為評估板幫助用戶為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)最終產(chǎn)品，充分利用該功能在同一DC電力線上實現(xiàn)電力傳輸與通信。該參考設(shè)計能夠以極小(大約1英寸的直徑)的工業(yè)尺寸為主從節(jié)點的硬件及固件設(shè)計提供完整的設(shè)計指南。設(shè)計文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium文件、光繪文件、帶應(yīng)用層的完整軟件套件以及簡單易用的圖形用戶界面(GUI)。

　　應(yīng)用層不僅支持從節(jié)點，而且還支持主機處理器(比如PC或Sitara ARM MPU)的通信(圖9)。主機處理器只通過USB-UART接口與主節(jié)點通信。主節(jié)點隨后通過PLC與從節(jié)點通信。評估板(EVM)也提供簡單易用的GUI(圖10)，其不僅通過主機處理器運行，而且還提供地址管理以及從節(jié)點狀態(tài)監(jiān)控及用戶控制功能。

　　參考設(shè)計針對每個從節(jié)點的源阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，我們可將多個從設(shè)備連接至主設(shè)備。模擬前端(AFE)已經(jīng)添加了保護電路，能夠可靠AC耦合至24V線路。該參考設(shè)計的布局根據(jù)AFE031大電流線跡的布局要求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖9：參考設(shè)計的系統(tǒng)方框圖

　　圖10：GUI工具截圖

　　結(jié)論

　　在本文中，我們回顧了窄帶DC電力線PLC是各種工業(yè)應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)的有效工具的原因所在。該方案可充分發(fā)揮AC電力線應(yīng)用的PLC在現(xiàn)有智能電網(wǎng)部署中的成功使用優(yōu)勢。支持PLC的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC電力線的連接也需要精心的設(shè)計考量，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)健地擴展至多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

　　為解決設(shè)計挑戰(zhàn)，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員將DC電力線PLC成功運用于自己的應(yīng)用，TI推出了一款基于TI模擬前端AFE031及C2000微控制器[2]的DC PLC參考設(shè)計[1].該參考設(shè)計配套提供完整系列的硬件設(shè)計文件、MCU固件、基于GUI的應(yīng)用軟件以及極為詳盡的實驗室測試結(jié)果文檔。設(shè)計人員可輕松評估該平臺，有效構(gòu)建自己的最終應(yīng)用。