國(guó)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(shí)現(xiàn)方案
國(guó)內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊總體設(shè)計(jì)框架基本一致，絕大部分研發(fā)人員以國(guó)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(tái)，結(jié)合單片機(jī)控制芯片進(jìn)行模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)技術(shù)的廣泛發(fā)展應(yīng)用，控制芯片的選取較為靈活，只要其資源能滿足控制應(yīng)用即可，甚至部分國(guó)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(shè)計(jì)人員提供了方便。
通常電力線載波Modem芯片的選取根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同而進(jìn)行針對(duì)性的不同選用，因此，目前國(guó)內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊的不同實(shí)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)電路和單片機(jī)控制電路及其外圍電路。
國(guó)內(nèi)上述電力載波通信數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)方案都有應(yīng)用，比如，某大學(xué)應(yīng)用北京某公司自主開發(fā)的PL3l05電力線載波Modem芯片，結(jié)合對(duì)照明網(wǎng)絡(luò)開關(guān)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(jié)構(gòu)，如圖2所示。山東某大學(xué)大學(xué)基于較新一代的PL3200電力線載波Modem芯片進(jìn)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(diǎn)是：采用國(guó)內(nèi)自主研制芯片，針對(duì)性強(qiáng)，更加符合我國(guó)國(guó)情的電力通信網(wǎng)。硬件設(shè)計(jì)上，芯片本身內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051微處理器，集成度高，試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明通信距離可結(jié)合其它技術(shù)方式進(jìn)行擴(kuò)展，通信誤碼率低。缺點(diǎn)是，單一通信信道的局限性，導(dǎo)致只適合中小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(fù)雜、 供電覆蓋范圍大的惡劣信道環(huán)境下測(cè)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(xué)的研究人員沒(méi)有利用現(xiàn)成的電力線載波Modem芯片，其數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)由5部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)通信機(jī)側(cè)的接口電路(包含RS一232：MAX202．RS一485：MAxl487)、單片機(jī)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(gè)通信控制器的工作原理如下：來(lái)自通信機(jī)的數(shù)字信號(hào)接到RS一232(或RS一485)插座上，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202(或MAXl487)和單片機(jī)相連，這樣就可以進(jìn)行單片機(jī)和通信機(jī)之間的信息交換；單片機(jī)控制系統(tǒng)是通信機(jī)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(chǔ)，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(fù)責(zé)給單片機(jī)、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(jī)和電力線連接起來(lái)，是整個(gè)通信控制器和電力線之間的接口。在這里，它將來(lái)自單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成跳頻信號(hào)，通過(guò)變壓器藕合到電力線上發(fā)送出去；同時(shí)，它也將來(lái)自電力線上的跳頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給單片機(jī)，然后通過(guò)電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將所接收到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給通信機(jī)。這樣就完成了通信機(jī)間的通信過(guò)程。
此方案優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)具體電路，冗余設(shè)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(duì)較大。使用同一微機(jī)的串口模擬雙機(jī)通信，取15 m長(zhǎng)的電力線連接測(cè)試，電力線上連有一個(gè)40 W的可調(diào)光臺(tái)燈以及一個(gè)850 W帶開關(guān)的電熱水壺。波特率：300 bps，測(cè)試時(shí)間：24小時(shí)，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(dǎo)體(ST)設(shè)計(jì)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(dú)有或開放的FSK調(diào)制技術(shù)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(dòng)電平控制等電路，與前期產(chǎn)品ST7538的44個(gè)管腳不同的是，ST7540共有28個(gè)管腳，管腳數(shù)量大大減小，使用更加方便。一直以來(lái)，ST公司的ST7536、ST7538在國(guó)內(nèi)應(yīng)用成功案例較多，效果較好。在單片機(jī)的選擇上，美國(guó)微芯公司的PIC單片機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可以根據(jù)不同應(yīng)用選擇合理資源配置的芯片型號(hào)。因此，基于PIC單片機(jī)和ST7540的數(shù)傳模塊解決方案，具有很大的優(yōu)越性和研究?jī)r(jià)值，近年來(lái)，受到很多相關(guān)研究人員和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

4 急需解決的技術(shù)問(wèn)題及發(fā)展方向
電力載波通信數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)，目前需解決的問(wèn)題是：
(1)進(jìn)一步研究PLC通信理論，改進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)和編碼技術(shù)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)PLC特殊的環(huán)境。提高自適應(yīng)信道均衡、回波抵消技術(shù)、自適應(yīng)增益調(diào)整等技術(shù)水平，為低壓PLC通信的安全可靠提供保障；
(2)針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域和通信環(huán)境，選取合理的電力載波通信芯片和MCU，設(shè)計(jì)有效的耦合電路，采用科學(xué)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(guó)內(nèi)巨大應(yīng)用市場(chǎng)需求，伴隨著國(guó)內(nèi)外電力載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，電力載波數(shù)傳模塊的研發(fā)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和生產(chǎn)商的關(guān)注。適應(yīng)國(guó)際化通信標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)內(nèi)實(shí)際，滿足國(guó)內(nèi)需求，逐步走向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用是我國(guó)電力載波通信和數(shù)傳模塊研發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)和走向。