DSP控制的電力線通信模擬前端接口設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用電力線作為載體進(jìn)行信號(hào)傳輸受到人們?cè)絹?lái)越多的重視，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。電力線是當(dāng)今最普通、覆蓋面最廣的一種物理媒介，由其構(gòu)成的電力網(wǎng)是一個(gè)近乎天然的物理網(wǎng)絡(luò)。如何利用電力網(wǎng)的資源潛力，在不影響傳輸電能的前提下，將電力輸送網(wǎng)和通信網(wǎng)合二為一，使之成為繼電信、電話、無(wú)線通信、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的一個(gè)熱點(diǎn)。電力線載波通信就是在這種背景下產(chǎn)生的，它以電力網(wǎng)作為信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。電力線作為載波信號(hào)的傳輸媒介，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

　　作為通信技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通信技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場(chǎng)而為世界關(guān)注。我國(guó)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始從事電力線載波通信技術(shù)的研究。90年代以后，電力線載波技術(shù)的需求隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于家居自動(dòng)化、遠(yuǎn)程抄表、寬帶上網(wǎng)等領(lǐng)域。專(zhuān)家介紹，在一些干擾大、布線困難的工業(yè)領(lǐng)域若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，采用電力載波通信方式能達(dá)到事半功倍的效果，因此，電力網(wǎng)又被喻為“未被挖掘的金山”。

　　實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的方法有很多，通常利用一個(gè)專(zhuān)用通信芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分，而系統(tǒng)的應(yīng)用部分則使用另一個(gè)控制器來(lái)完成，這種雙片法是一種不錯(cuò)的選擇。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，可以合二為一，一個(gè)高級(jí)的DSP控制器可以實(shí)現(xiàn)電力線調(diào)制解調(diào)器的功能。DSP控制器可以在軟件上實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器功能，用片上外設(shè)在電力線上通過(guò)模擬終端接口,來(lái)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送。

　　本文敘述的是一個(gè)遵從CEA709[1]協(xié)議,使用定點(diǎn)DSP控制器（TMS320LF2812）,從軟件和硬件上來(lái)實(shí)現(xiàn)電力線調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)。文中描述了模擬終端具體的設(shè)計(jì)方法,而這個(gè)終端對(duì)穩(wěn)定的收發(fā)運(yùn)行過(guò)程來(lái)說(shuō)是必要的。

　　1 基于CEA709協(xié)議的系統(tǒng)框架

　　圖1為ANSI/CEA709協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理框圖。該協(xié)議的詳細(xì)說(shuō)明可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

圖1 CEA709協(xié)議物理層框圖

　　在軌道交通、網(wǎng)絡(luò)能源管理、智能樓宇、暖通空調(diào)、煤礦安全、能源和環(huán)境管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)LonWorks成為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。全球的樓宇、家庭、工業(yè)和運(yùn)輸自動(dòng)化業(yè)目前大量采用了基于LonWorks平臺(tái)。LonWorks平臺(tái)是世界上最大住宅智能電表網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)平臺(tái)，被瑞典、荷蘭和澳大利亞等國(guó)家的住宅和小型商業(yè)電表的智能表所采用，而運(yùn)行在此平臺(tái)上的協(xié)議是美國(guó)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/CEA709。目前，已有越來(lái)越多的中國(guó)生產(chǎn)廠和集成商采用了ANSI/CEA709協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，例如在青藏鐵路——世界上最長(zhǎng)的高海拔鐵路列車(chē)上，利用LonWorks技術(shù)平臺(tái)，采用ANSI/CEA709協(xié)議用于技術(shù)監(jiān)測(cè)和控制各種系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)最先進(jìn)的旅客用供氧系統(tǒng)。

　　對(duì)于圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)CEA709調(diào)制解調(diào)器功能的系統(tǒng)框圖如圖2所示。DSP（TMS320F2812）具有150MIPS的計(jì)算能力,信號(hào)采集使用一個(gè)12位片上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度為12 Msps，DSP提供多PWM來(lái)適應(yīng)電力線調(diào)制解調(diào)器。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　2個(gè)片上PWM輸出和1個(gè)線驅(qū)動(dòng)器用于實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送功能。一個(gè)A/D輸入用來(lái)采樣帶通輸入端口信號(hào),以此來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的接收功能，帶通濾波器實(shí)際上是一個(gè)離散濾波器。它們和交流阻塞電容、耦合變壓器一起完成接口的模擬前端設(shè)計(jì)。

　　下面主要介紹模擬前端接口的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　2 模擬前端及接口的實(shí)現(xiàn)

　　CEA709通信系統(tǒng)以131.579 kHz載波頻率來(lái)定義，每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)位由載波頻率正弦波上24個(gè)周期組成，因此波特率為5.5kbps。每個(gè)位段的相位可以設(shè)為0°而使該位置0,也可以設(shè)為180°來(lái)使該位置1。

　　2.1 信號(hào)接收

　　首先去除耦合網(wǎng)絡(luò)中的50/60 Hz電力線電壓,然后再用一個(gè)二階有源帶通濾波器濾出信號(hào)，可以檢測(cè)到131.5kHz的調(diào)頻信號(hào)。這個(gè)濾波器是通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)通道采樣，信號(hào)采樣序列由FIR濾波器處理，同時(shí),這個(gè)濾波器的輸出用來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)檢測(cè)。

　　采樣得到的是115 kHz的接收信號(hào)，它是載波頻率的（21/24）倍。這個(gè)信號(hào)在131.5 kHz至中頻16.5kHz的范圍內(nèi)向下采樣,然后用采樣頻率時(shí)鐘與輸入載波正弦信號(hào)混合相乘,兩個(gè)正弦波相乘的結(jié)果生成兩個(gè)正弦波頻率的“和”與“差”的合成信號(hào)，如圖3所示。

圖3 采樣后的頻率效應(yīng)

　　運(yùn)行時(shí),DSP在每個(gè)ADC采樣轉(zhuǎn)換完成后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后每個(gè)采樣信號(hào)就和數(shù)字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環(huán))輸出比較,來(lái)估計(jì)接收到的信號(hào)的相位。在頻率5.5kHz下,相位是確定的。如果相位小于±90°,那么就假定接收到的是“0”信號(hào),否則就是“1”信號(hào)。