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基于嵌入式/PL2000A的電力線載波通信接口設(shè)計

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作者:洪家平,童強 (湖北師范學(xué)院 計算機科學(xué)系 湖北 黃石 435002) 時間:2007-01-26 來源:《國外電子元器件》 收藏

1 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今年的熱門話題,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)代電能計算管理將起重要作用,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),基于載波技術(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、路由合理特點,是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

電路線通信是先將數(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220v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的可靠通信,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門電路,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3v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(500b/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120k赫茲的載頻,15k赫茲的帶寬,0.5mvrms(500b/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 comos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)(信號)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:

c=blog2(1+s/n)(bit/s) (1)
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n0,則
c/b=1.44loge[1+s/nob)] (2)
對于干擾環(huán)境下的典型情況,s/n<<1,應(yīng)用冪級數(shù)展開,則可得:
c/b≈1.44s/(n0b) (3)
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?

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)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1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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/21135.htm

在圖1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(dāng)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(dāng)wdi端持續(xù)436ms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、t1組成載波耦合接收電路,由功率放大電路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i2c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、家用電器控制)、智能大廈及樓宇控制、辦公室間通信、火警及安全防范系統(tǒng)、計算機終端接口及載波電話等。



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