基于ST7538和ATmega88V的電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)

低壓配電網(wǎng)是一個(gè)用戶最多，分布最廣的一種能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yuǎn)程抄表、報(bào)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(shì)在于,無須重新布線、維護(hù)方便、大大節(jié)省通信成本。本文設(shè)計(jì)了一套基于調(diào)制解調(diào)模塊ST7538和ATmega88V單片機(jī)的電力線載波通信模塊。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理，給出了整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，如圖1所示。本電力線載波通信節(jié)點(diǎn)模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號(hào)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(shè)計(jì)
1 微控制器的選擇
微控制器是系統(tǒng)的控制核心,它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào)度。為克服電力線上存在信號(hào)衰減大、時(shí)變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編譯碼方案，但這可能加大算法的復(fù)雜程度導(dǎo)致運(yùn)算速度降低。綜合考慮成本和運(yùn)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(diǎn)詳見產(chǎn)品手冊(cè)。

2 調(diào)制解調(diào)芯片的選擇
信號(hào)調(diào)制與解調(diào)以及對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)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(hù)的功能。

由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號(hào)調(diào)制解調(diào)芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步、FSK調(diào)制解調(diào)器芯片,具有功能強(qiáng)大、集成度高、抗干擾技術(shù)多等特點(diǎn)，已在電力載波通信中比較廣泛的應(yīng)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(shè)計(jì)中ATmega88V的USART用來和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機(jī)的接口采用其通過串行接口與ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI相互通信來實(shí)現(xiàn)。ATmega88V的串行外設(shè)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(diǎn)。在本方案設(shè)計(jì)中采用ST7538做主機(jī)，ATmega88V做從機(jī)，由ST7538提供數(shù)據(jù)同步傳輸時(shí)鐘。

3 電源芯片的選擇
由于整個(gè)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(guān)電壓調(diào)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(diào)整率和電流調(diào)整率，具有3A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，LM2596 能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)電壓輸出方式，輸入電壓達(dá)到36V。LM2596 應(yīng)用時(shí)比較簡(jiǎn)單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個(gè)），內(nèi)置頻率補(bǔ)償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開關(guān)頻率為52kHz，所以應(yīng)用時(shí)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(fù)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(jī)電流為50μA，芯片內(nèi)置過流保護(hù)電路和過熱保護(hù)電路。所以在設(shè)計(jì)中選用了兩片LM2596分別做兩個(gè)支路輸出5V和12V。此外，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)考慮到開關(guān)電源芯片會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波輻射，所以盡量遠(yuǎn)離調(diào)制解調(diào)電路及濾波電路，以免對(duì)載波信號(hào)造成干擾。

圖2 LM2596電源模塊電路原理

4 電力線接口電路設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的電力線載波通信的關(guān)鍵在于所選用的載波調(diào)制解調(diào)模塊和相應(yīng)的接口電路。電力線接口電路將調(diào)制解調(diào)部分和電力線耦合,實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電力線上的傳輸。通信過程要求這個(gè)接口電路在發(fā)送信號(hào)時(shí),對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)有足夠的功率耦合到電力線上；在接收時(shí),對(duì)混雜在信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾除,并放大信號(hào),然后將信號(hào)傳送到調(diào)制解調(diào)模塊中進(jìn)行解調(diào)。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(hù)部分等。因?yàn)镾T7538內(nèi)部帶有功率放大電路,所以只需設(shè)計(jì)接收、發(fā)送和保護(hù)三個(gè)部分。電力線接口電路如圖3所示。