基于ST7538的電力線載波通信模塊的設計

　　低壓配電網(wǎng)是一個用戶最多，分布最廣的一種能源傳輸網(wǎng)絡，電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。它可用于電力管理、照明控制、加熱制冷系統(tǒng)控制、遠程抄表、報警系統(tǒng)及智能化小區(qū)。利用電力線作為通信媒介的優(yōu)勢在于,無須重新布線、維護方便、大大節(jié)省通信成本。本文設計了一套基于調制解調模塊ST7538和ATmega88V單片機的電力線載波通信模塊。

　　系統(tǒng)總體設計

　　根據(jù)低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理，給出了整個系統(tǒng)的總體設計，如圖1所示。本電力線載波通信節(jié)點模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號處理部分、電源電路部分和電力線接口部分。

圖1 低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理

　　硬件設計

　　1 微控制器的選擇

　　微控制器是系統(tǒng)的控制核心,它負責整個系統(tǒng)中任務的協(xié)調與調度。為克服電力線上存在信號衰減大、時變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，但這可能加大算法的復雜程度導致運算速度降低。綜合考慮成本和運算能力之后，微處理器選用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器 ATmega88V，它的具體參數(shù)及特點詳見產(chǎn)品手冊。

　　2 調制解調芯片的選擇

　　信號調制與解調以及對信號的自適應平衡放大、濾波及與微控制器的通信等功能由電力線載波芯片完成。電力線接口則起到耦合、隔離、濾波與保護的功能。

　　由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號調制解調芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領域電力線網(wǎng)絡通信而設計的半雙工、同步/異步、FSK調制解調器芯片,具有功能強大、集成度高、抗干擾技術多等特點，已在電力載波通信中比較廣泛的應用。

　　ST7538 通過串行接口與主控制器交換數(shù)據(jù)。由于在方案設計中ATmega88V的USART用來和服務器通信，所以ST7538與主機的接口采用其通過串行接口與 ATmega88V的串行外設接口SPI相互通信來實現(xiàn)。ATmega88V的串行外設接口SPI具有全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸、主從及操作等特點。在本方案設計中采用ST7538做主機，ATmega88V做從機，由ST7538提供數(shù)據(jù)同步傳輸時鐘。

　　3 電源芯片的選擇

　　由于整個系統(tǒng)中主要芯片（ST7538,ATmega88V）的工作電壓分別是12V和5V，系統(tǒng)總功率不超過2W，所以我們選用LM2596 作為電源芯片。LM2596開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有非常小的電壓調整率和電流調整率，具有3A的負載驅動能力，LM2596 能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調節(jié)的可調電壓輸出方式，輸入電壓達到36V。LM2596 應用時比較簡單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個），內置頻率補償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開關頻率為52kHz，所以應用時可以使用小尺寸的濾波元件。它可以高效地取代一般的三端線性穩(wěn)壓器，能夠充分減小散熱片的面積。在規(guī)定的輸入電壓和輸出負載的條件下，LM2596 輸出電壓的誤差范圍為±4%；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10%；典型的待機電流為50μA，芯片內置過流保護電路和過熱保護電路。所以在設計中選用了兩片LM2596分別做兩個支路輸出5V和12V。此外，在PCB設計時考慮到開關電源芯片會產(chǎn)生很強的電磁波輻射，所以盡量遠離調制解調電路及濾波電路，以免對載波信號造成干擾。

圖2 LM2596電源模塊電路原理

　　4 電力線接口電路設計

　　實現(xiàn)優(yōu)質高效的電力線載波通信的關鍵在于所選用的載波調制解調模塊和相應的接口電路。電力線接口電路將調制解調部分和電力線耦合,實現(xiàn)信號在電力線上的傳輸。通信過程要求這個接口電路在發(fā)送信號時,對信號進行濾波處理,濾除一定的噪聲如二次諧波,并通過功率放大器使信號有足夠的功率耦合到電力線上；在接收時,對混雜在信號中的噪聲進行濾除,并放大信號,然后將信號傳送到調制解調模塊中進行解調。因此接口電路的性能決定了通信效果的好壞。一般地,電力線接口電路包括:接收部分、發(fā)送部分、功率放大部分和保護部分等。因為ST7538內部帶有功率放大電路,所以只需設計接收、發(fā)送和保護三個部分。電力線接口電路如圖3所示。

圖3 電力線接口電路

　　發(fā)送電路部分，電容C11、電感LC12、電感L4和等效感性阻抗LC的值一般是事先給定的,需要通過計算確定的是電容C13和CR9的值。在選定C11、 LC12、L4和LC的值時要注意變壓器的漏電感、晶體二極管的電容和串聯(lián)器件(C13、LC12、T1、L4、C11)的等效串聯(lián)電阻 ESR(100mΩ～1Ω) ,所以盡可能地選用電阻性器件。變壓器選用1:1的隔離變壓器。模擬電力線的阻抗條件,即給濾波器的輸出端加上一個感性負載,令其阻抗特性為2LC = 100μH。電路中的感性器件的ESR要與其電感值成比例,且感性器件的ESR要盡可能地小。電感選用LBC（大線軸帶繞磁心）,電感值盡可能小,所以 LC12的值選為10μH，L4的值選為22μH。C11的作用是將變壓器與電力線隔離,過濾電力線上的50/60Hz的信號,阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過,選取X2型電容，這種電容具有短路保護功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據(jù)極點頻率公式，計算得出C13的值為 220nF,CR9的值為100nF。

　　接收電路部分選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器,這是因為有源濾波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當?shù)陌自肼?。采用并?lián)諧振電路, 選用二階無源帶通濾波器(C36、L7、R11)。接收濾波器的頻率主要由電容C36,電感L7和電阻R11的值決定。中心頻率可設置為 132.5kHz。濾波器性能好壞的一個重要因素是品質因數(shù)Q，Q值選為2～3。選用允許誤差為5%的聚丙烯電容和允許誤差為10%的BC(線軸帶繞磁芯)電感。為了不影響發(fā)送部分,并減少通過變壓器初級線圈的直流電流, R11的值要盡可能得大, 但R11值若過大,會產(chǎn)生一個較高的白噪聲,所以R11的值取為750Ω。令R11的值不變，根據(jù)中心頻率和品質因數(shù)的選取不同可以得出不同的C36和 L7的值。

　　在保護電路部分中,一般采用一個雙向穩(wěn)壓管,當電壓值不小于穩(wěn)壓管電壓時,穩(wěn)壓管就會短接到地,從而保護接口電路的器件不會被燒壞。火線與零線間的干擾為差模干擾，火線與地線，零線與地線間的為共模干擾。采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號沒作用，當出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞，所以這里采用三個二極管(D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A)，將它們連成星狀結構。對于差模尖峰信號，D16和D15構成一個雙向穩(wěn)壓管，對于共模尖峰信號,這種星狀結構就相當于兩個雙向穩(wěn)壓管(D15和D17,D16和D17)。

　　軟件設計

　　當系統(tǒng)啟動時，程序完成初始化后便自動進入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開始檢測載波信號的有無及正確與否。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)進入載波接收中斷程序，開始接收從電力線上傳來的數(shù)據(jù)；如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測串口，判斷串口是否有數(shù)據(jù)傳送過來，若目前有串口數(shù)據(jù)則系統(tǒng)進入串口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，確定串口數(shù)據(jù)接收完成后就馬上進入載波發(fā)送中斷程序，完成數(shù)據(jù)調制并發(fā)送。如果電力線及串口都無數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進入檢測狀態(tài)，重新開始檢測電力線，進入新一輪循環(huán)。流程圖如圖4所示。為了避免串口同時處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設置來完成。

圖4 電力載波通信系統(tǒng)程序流程

　　結束語

　　本文介紹的基于ATmega88V與 ST7538低壓電力線載波通信模塊的電路設計方案具有結構簡單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強等特點。經(jīng)過實驗觀察，設備運行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，遇故障可自動重啟，可以實現(xiàn)無人守候，為復雜的工業(yè)環(huán)境下的工業(yè)控制和數(shù)據(jù)傳輸提供了一套參考方案。