國內(nèi)電力線載波數(shù)傳模塊的研發(fā)分析

3 電力線載波數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案
國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊總體設計框架基本一致，絕大部分研發(fā)人員以國內(nèi)外各電力線載波Modem芯片商開發(fā)的電力線載波Modem芯片為平臺，結合單片機控制芯片進行模塊化產(chǎn)品設計。由于單片機技術的廣泛發(fā)展應用，控制芯片的選取較為靈活，只要其資源能滿足控制應用即可，甚至部分國內(nèi)自主研發(fā)的載波芯片產(chǎn)品本身已經(jīng)內(nèi)嵌微處理器，為設計人員提供了方便。
通常電力線載波Modem芯片的選取根據(jù)應用領域不同而進行針對性的不同選用，因此，目前國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊的不同實現(xiàn)方案。在模塊功能上，主要區(qū)別在于電力線載波Modem芯片的選取不同。在整體結構上，區(qū)分在于是否采用集成程度較高的電力線載波Modem芯片。部分不采用電力線載波Modem芯片的研發(fā)人員，從最基本的理論出發(fā)，根據(jù)具體需要，自主設計調(diào)制解調(diào)電路和單片機控制電路及其外圍電路。
國內(nèi)上述電力載波通信數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案都有應用，比如，某大學應用北京某公司自主開發(fā)的PL3l05電力線載波Modem芯片，結合對照明網(wǎng)絡開關控制的需要，分別開發(fā)出總控制器，組控制器和終端控制器3種不同功能的數(shù)傳模塊。其結構，如圖2所示。山東某大學大學基于較新一代的PL3200電力線載波Modem芯片進行了系統(tǒng)研究，總體解決方案與之具有繼承性。

此方案優(yōu)點是：采用國內(nèi)自主研制芯片，針對性強，更加符合我國國情的電力通信網(wǎng)。硬件設計上，芯片本身內(nèi)嵌增強型8051微處理器，集成度高，試驗和實際應用表明通信距離可結合其它技術方式進行擴展，通信誤碼率低。缺點是，單一通信信道的局限性，導致只適合中小規(guī)模的網(wǎng)絡應用。其中，基于PL3200的電力載波通信系統(tǒng)，選擇在電網(wǎng)區(qū)域用戶密集、電網(wǎng)分叉復雜、 供電覆蓋范圍大的惡劣信道環(huán)境下測試，通信速度：500 bps，環(huán)境溫度：23～28℃。(1)通信距離：30 m，誤碼率：0，誤包率：0；(2)通信距離：200 m，誤碼率：10-3，誤包率：10-2；(3)通信距離：300 m，誤碼率：10-3，誤包率：約10-2；(4)通信距離：400 m，誤碼率：約17％，誤包率：約50％。
上海某大學的研究人員沒有利用現(xiàn)成的電力線載波Modem芯片，其數(shù)傳模塊設計由5部分組成：單片機通信機側(cè)的接口電路(包含RS一232：MAX202．RS一485：MAxl487)、單片機控制電路、電源電路(包括交流濾波器、變壓器、整流橋、LM2576―5、LM7815 LM7915)、調(diào)制解調(diào)電路和電力線藕合電路等。整個通信控制器的工作原理如下：來自通信機的數(shù)字信號接到RS一232(或RS一485)插座上，通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202(或MAXl487)和單片機相連，這樣就可以進行單片機和通信機之間的信息交換；單片機控制系統(tǒng)是通信機和調(diào)制解調(diào)器之間連接的紐帶，在這里不但要完成數(shù)據(jù)的存儲，而且還要完成控制調(diào)制解調(diào)器的接收和發(fā)送功能；電源系統(tǒng)負責給單片機、MAX202、MAXl487以及調(diào)制解調(diào)器中各芯片供電。調(diào)制解調(diào)電路將單片機和電力線連接起來，是整個通信控制器和電力線之間的接口。在這里，它將來自單片機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成跳頻信號，通過變壓器藕合到電力線上發(fā)送出去；同時，它也將來自電力線上的跳頻信號解調(diào)成數(shù)字信號，發(fā)送給單片機，然后通過電平轉(zhuǎn)換，單片機將所接收到的數(shù)字信號發(fā)送給通信機。這樣就完成了通信機間的通信過程。
此方案優(yōu)點是：不采用專門的電力線載波Modem芯片，能根據(jù)具體需求選擇和設計具體電路，冗余設置少、資源利用率高、開發(fā)成本較小，但是開發(fā)難度較大，通信可靠性相對較大。使用同一微機的串口模擬雙機通信，取15 m長的電力線連接測試，電力線上連有一個40 W的可調(diào)光臺燈以及一個850 W帶開關的電熱水壺。波特率：300 bps，測試時間：24小時，發(fā)送次數(shù)：42 853(每2 s發(fā)一次)，正確接收次數(shù)：39 214，成功率：91．51％。
由意法半導體(ST)設計生產(chǎn)的新型電力線收發(fā)芯片ST7540，于2006年推出，支持多種獨有或開放的FSK調(diào)制技術通信協(xié)議，其中包括EHS和Konnex(EN50090)，ST7540內(nèi)置了FSK調(diào)制解調(diào)模塊、串行接口模塊、振蕩器模塊、電壓及電流控制模塊、濾波器、自動電平控制等電路，與前期產(chǎn)品ST7538的44個管腳不同的是，ST7540共有28個管腳，管腳數(shù)量大大減小，使用更加方便。一直以來，ST公司的ST7536、ST7538在國內(nèi)應用成功案例較多，效果較好。在單片機的選擇上，美國微芯公司的PIC單片機經(jīng)濟實惠，可以根據(jù)不同應用選擇合理資源配置的芯片型號。因此，基于PIC單片機和ST7540的數(shù)傳模塊解決方案，具有很大的優(yōu)越性和研究價值，近年來，受到很多相關研究人員和機構的關注。

4 急需解決的技術問題及發(fā)展方向
電力載波通信數(shù)傳模塊設計，目前需解決的問題是：
(1)進一步研究PLC通信理論，改進信號處理技術和編碼技術，優(yōu)化通信網(wǎng)絡結構以適應PLC特殊的環(huán)境。提高自適應信道均衡、回波抵消技術、自適應增益調(diào)整等技術水平，為低壓PLC通信的安全可靠提供保障；
(2)針對應用領域和通信環(huán)境，選取合理的電力載波通信芯片和MCU，設計有效的耦合電路，采用科學的通信協(xié)議，降低通信誤碼率，提高模塊通信穩(wěn)定可靠性。
基于國內(nèi)巨大應用市場需求，伴隨著國內(nèi)外電力載波通信技術的不斷發(fā)展和成熟，電力載波數(shù)傳模塊的研發(fā)越來越受到國內(nèi)外學者和生產(chǎn)商的關注。適應國際化通信標準，符合國內(nèi)實際，滿足國內(nèi)需求，逐步走向網(wǎng)絡化應用是我國電力載波通信和數(shù)傳模塊研發(fā)的發(fā)展趨勢和走向。