基于嵌入式系統(tǒng)的電力線載波通信接口設(shè)計

l 概述
作為世界上最大的網(wǎng)絡(luò)，電力線網(wǎng)絡(luò)的主要功能是輸送電能。但是，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于電力線路的通信成為近年的熱門話題。利用電力線來實現(xiàn)通信對于電力自動化系統(tǒng)設(shè)備之間的通信和現(xiàn)代電能計量管理將起重要作用，目前國內(nèi)和國外都有一些成功的應(yīng)用實例，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是基于電力線載波通信的自動抄表系統(tǒng)。另外，對電能數(shù)據(jù)的采集和傳輸、對電力設(shè)備的監(jiān)控和保護，以及電能的優(yōu)化調(diào)度等也可以借助電力線通信來實現(xiàn)?；谳d波技術(shù)的電力線通信已成為目前電力系統(tǒng)智能化通信的發(fā)展方向之一。

2 電力線載波通信的方式和特點
電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式高速傳輸模擬或數(shù)字信號的技術(shù)。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸介質(zhì)，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理等特點，是惟一不需要線路投資的有線通信方式。
電力線通信是先將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器耦合到220 V或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實用的新興通信手段，而且具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點，顯示出了良好的前景和巨大的市場潛力。
電力線通信的關(guān)鍵是如何保證在電力線上長距離可靠通信。在電力線上通信存在以下問題：電力線間歇性噪聲較大(某些電器的啟動、停止和運行都會產(chǎn)生較大的噪聲)；信號衰減快；線路阻抗經(jīng)常波動等等。這些問題使電力線通信非常困難。電力線載波通信的關(guān)鍵是功能強大的電力線載波專用電路。目前,采用PL2000A型電力線收發(fā)器(或調(diào)制解調(diào)器)等專用電路能提供較好的解決方案。

3 PL2000A簡介
PL2000A是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，是PL2000型的升級產(chǎn)品。它由+5V單電源供電，用一種外部接口電路與電力線耦合。PL2000A除具備原有系統(tǒng)基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置5種常用功能電路：實時時鐘電路、32Bytes的SRAM、電壓監(jiān)測器、看門狗定時器及復(fù)位電路,它們都通過標準的I2C接口與外部的微處理器相連，其中時鐘和32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3 V備用電池供電。PL2000A是特別針對我國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信電路，信噪比及數(shù)據(jù)傳輸性能比PL2000有大幅度的提高，同時數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一倍(500 b/s)。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成、二相相移鍵控等新技術(shù)，還具有120 kHz的載頻，15 kHz的帶寬，0.5 mVrms(500 b/s)的接收靈敏度，15位偽碼長度和可編程同步捕獲門限的功能，以及大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.5μm CMOS工藝，所以抗干擾、抗衰減性價比等更加突出。

4 擴頻通信的原理
擴頻通信技術(shù)是利用與欲傳輸數(shù)據(jù)(信息)無關(guān)的碼對被傳輸?shù)男盘枖U展頻譜，使之占有遠遠超過被傳送信息所必需的最小帶寬，在接收機中利用同一碼進行相關(guān)接收和恢復(fù)數(shù)據(jù)。從著名的Shnaon公式可知，在白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的信道容量可用下式表示：

其中，B為信道帶寬，S為信號平均功率，N為噪聲平均功率，若白噪聲功率譜密度為No，則

對于干擾環(huán)境下的典型情況,S/N1，應(yīng)用冪級數(shù)展開，則可得：

這說明對于給定的信道容量而言，既可用增大信道帶寬同時相應(yīng)降低信噪比的辦法達到，又可以用減小信道帶寬同時相應(yīng)增大信噪比的辦法來實現(xiàn)，也就是說信道容量可以利用信道帶寬與信噪比的互換而保持不變。從理論上講，對于任意給定的信噪比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，就可以增加在信道中無誤差傳輸?shù)男畔⑺俾省?BR>

5 電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計原理
采用PL2000A的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)配合單片機完成數(shù)據(jù)在電力線通信線路的擴頻發(fā)射和擴頻接收。通過單片機的串口及電平轉(zhuǎn)換，還可與PC上位機通信。從圖l可以看出，該通信系統(tǒng)的硬件主要有電源、RS-232接口部分、單片機處理部分、載波接口部分(如載波信號接收、載波信號發(fā)射和載波信號預(yù)處理等)、單片機復(fù)位等接口電路。

在圖l中，作為電力線通信系統(tǒng)核心的PL2000A完成載波信號的接收和解擴，當然還需由其他部件(如圖2中的MC3361)完成載波信號預(yù)處理；載波擴頻發(fā)射由單片機控制，通過PL2000A完成擴頻編碼處理，再通過后續(xù)推動電路完成擴頻載波信號的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式，由幀頭進行同步，常態(tài)為載波接收模式。單片機接口提供單片機的復(fù)位信號、看門狗信號及載波收發(fā)控制信號。PL2000A具有與51系列單片機兼容的高電平復(fù)位信號，由PL2000A的RST端輸出。PL2000A可為單片機提供看門狗功能，看門狗計數(shù)器清零輸入端為WDI。當WDI端持續(xù)436 ms以上無高低電平變化時，將導(dǎo)致看門狗計數(shù)器溢出，使PL2000A的RST輸出復(fù)位高電平。

6 載波通信系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計
6.1 硬件設(shè)計
由PL2000A組成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖2所示，二極管D3、D4、D5、D6和三極管G1、G2、G3、G4組成功率放大電路，該電路將PL2000A產(chǎn)生的載波調(diào)制信號進行功率放大后耦合到電力線上。D1、D2、D7、L2、Tl組成載波耦合接收電路。由功率放大電路放大后的信號波形富含諧波，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，需進行濾波整形。由電感器L1與電容器完成整形濾波后，再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上，雙向二極管D7起保護作用。由MC3361對載波信號進行預(yù)處理后送到PL2000A的Sin端。
6.2 軟件設(shè)計
通信軟件設(shè)計包括單片機與PL2000A通過FC接口的通信及PL2000A的載波信號接收和發(fā)射。單片機通過I2C接口從PL2000A讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的過程如圖3所示，這個過程是主器件(單片機)讀取PL2000A內(nèi)任意地址的寄存器內(nèi)容，要完成這種方式的讀操作需要首先設(shè)置片內(nèi)地址指針寄存器，這可通過將地址字節(jié)作為寫操作的一部分送給PL2000A來完成。發(fā)送了地址字節(jié)后，主器件在確認位后面立即產(chǎn)生起始位，用這種方式結(jié)束寫操作并開始另一次讀操作。主器件再次發(fā)出器件代碼，并使R/W位為“1”，PL2000A將發(fā)出確認位并隨后發(fā)送由上次地址寫操作設(shè)置的地址指針尋址的8位數(shù)據(jù)字節(jié)，然后主器件不確認傳遞(產(chǎn)生NACK)，再產(chǎn)生停止位結(jié)束本次操作。

以下是單片機通過I2C接口從PL2000A讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的部分代碼：

7 結(jié)束語
由于PL2000A采用擴頻方式通信，因此在很多領(lǐng)域都可以推廣和應(yīng)用，如載波抄表(水，電，氣表)、電網(wǎng)管理、家庭自動化(網(wǎng)絡(luò)家電，家用電火警及安全防范系統(tǒng)、計算機終端接口及載波電話等。