一種交流電數(shù)字編碼控制方法及實現(xiàn)

摘要：針對電力線載波通信技術(shù)節(jié)點成本高，切相調(diào)光技術(shù)線路諧波干擾大，且無法定位尋址控制的缺點，通過提出一種對交流電進(jìn)行數(shù)字編碼的控制方法，利用高壓功率驅(qū)動器件對交流電的正負(fù)半波的后沿進(jìn)行數(shù)字脈沖編碼，每個半波編一個編碼位，實現(xiàn)電力線傳輸數(shù)字控制信號的目的。本文提供了控制器的編碼及接收端的解碼硬件電路及軟件解碼方法。本文的技術(shù)可應(yīng)用于室內(nèi)照明調(diào)光的可尋址控制。

0 引言

目前多數(shù)建筑仍采用手動開關(guān)的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪費。在原有供電系統(tǒng)上設(shè)計獨立的智能照明控制系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的照明控制方式，可以更科學(xué)、有效地管理照明用電。在電力線通信技術(shù)領(lǐng)域，如采用電力線載波通信的方式，即通過在電力線上調(diào)制高頻載波信號實現(xiàn)設(shè)備間的信息傳輸和控制，這樣每個設(shè)備節(jié)點配備的高頻調(diào)制控制電路較為復(fù)雜，元件數(shù)量多，需要較高的成本。在商業(yè)和家庭照明燈具控制方面，現(xiàn)在市場上燈具控制網(wǎng)絡(luò)多采用專用控制線路進(jìn)行連接，這樣也增加了系統(tǒng)的布線成本。采用無線控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，每個控制節(jié)點的元件成本也較高。采用電力線進(jìn)行照明調(diào)光，多數(shù)采用前沿或后沿的切相控制，切相調(diào)光對電網(wǎng)產(chǎn)生較高的持續(xù)諧波干擾，而且只能實現(xiàn)一組設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)光控制，無法實現(xiàn)對單一個體設(shè)備的精確尋址控制或?qū)崿F(xiàn)調(diào)光調(diào)色的數(shù)字化控制。

本文提供了一種交流正弦波數(shù)字編碼控制方法，利用高壓功率驅(qū)動器件對交流電的正負(fù)半波的后沿進(jìn)行數(shù)字脈沖編碼，每個半波編一個數(shù)字位，實現(xiàn)交流電力線傳輸數(shù)字控制信號。本方案只需在控制的時候進(jìn)行切相編碼，當(dāng)發(fā)送完控制指令后，恢復(fù)原來完整的正弦波信號，既解決了數(shù)字化精確控制，又解決了線路的諧波干擾問題。

1 交流電數(shù)字編碼方法

組成一個控制單元最少由一個控制器和一個受控設(shè)備組成，控制器根據(jù)控制指令，對交流電輸入端的后沿進(jìn)行脈沖編碼，一幀數(shù)字編碼由起始位、地址、數(shù)據(jù)、校驗和停止位編碼組成。

交流電正弦波頻率50Hz，利用正負(fù)半周進(jìn)行編碼，每秒可以定義100個編碼位，在一些簡單數(shù)字控制應(yīng)用中，盡量縮短一幀數(shù)據(jù)的長度，以提高設(shè)備的響應(yīng)速度。本文采用的編碼方案為一幀數(shù)據(jù)由19個編碼位組成，其中1個起始位、8個地址位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇校驗位、1個停止位。一幀數(shù)據(jù)的長度為 190ms，每秒可以發(fā)送5幀控制信號，可滿足室內(nèi)照明調(diào)光的控制需要。由于編碼和解碼的通信過程為單向通信，受控設(shè)備沒有應(yīng)答信號返回給控制器，所以信號傳輸?shù)目煽啃杂绕渲匾?/p>

本文考慮負(fù)載端受控設(shè)備輸入端容性和感性對交流正弦波波形的影響，以較寬的脈沖寬度來定義編碼位的脈沖寬度，以使得受控設(shè)備得到穩(wěn)定可靠的還原信號。這里以交流脈沖編碼過零點作為時間參考起點，以過零后T0時間開始編碼，T0取值8.0ms，“起始位”為500μs低電平和500μs高電平;位“0”為 250μs低電平和250μs高電平;位“1”為250μs低電平和500μs高電平;“停止位”為完整的正弦半波。一個編碼位的波形如圖1，各編碼位的時間參數(shù)如表1。

如圖2是一幀數(shù)據(jù)的波形示意圖。包含1位起始位“Sbit”，8位地址位“A0-A7”，8位數(shù)據(jù)位“D0-D7”，1位奇校驗位“Cbit”，1位停止位“Ebit”。受控設(shè)備只接收與本身地址相同的數(shù)據(jù)或廣播數(shù)據(jù)。這樣，控制器可以對某個特定地址的受控設(shè)備進(jìn)行精確控制。

2 控制器編碼電路硬件設(shè)計

控制器的核心電路由微處理器電路、過零檢測電路和電壓驅(qū)動控制電路組成?？刂坪诵挠筛咚傥⑻幚砥鱑1控制，控制信號輸出以交流電壓的過零點作為時間參考，如圖3所示，由B1、R1、U2、R3組成的過零檢測電路，當(dāng)輸入交流電壓高于20V時，光耦U2導(dǎo)通，INT0為高電平，當(dāng)輸入交流電壓低于20V時，光耦U2截止，INT0為低電平，觸發(fā)微處理器的定時器計數(shù)。微處理器U1可通過UART串口接收上位機(jī)的指令，根據(jù)編碼方法，通過編碼電路向受控設(shè)備發(fā)送指令。也可以通過微處理器U1接收控制按鍵信息，根據(jù)按鍵的功能定義進(jìn)行相應(yīng)的控制。

如圖3所示，由整流橋B2、MOS管Q1以及Q2、Q3、Q4、D3、R4、R5、R6、R7、R8組成的MOS驅(qū)動電路，其中三極管Q2、Q3、Q4組成開關(guān)驅(qū)動，為Q1提供+15V和0V的開關(guān)電平。編碼電路通過開通或關(guān)閉場效應(yīng)管Q1來完成對受控設(shè)備的指令編碼。當(dāng)微處理器的P11口輸出低電平時，Q3、Q4截止，Q2導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q1的柵極(G)施加了+15V電壓，Q1導(dǎo)通，輸入端的交流電通過Q1輸出到受控設(shè)備。當(dāng)P11口輸出高電平時，Q4、Q3導(dǎo)通，Q2截止，場效應(yīng)管Q1的柵極(G)通過R6被接到低電平GND，Q1截止，截斷了受控設(shè)備端交流電壓。電路中D3對Q1起保護(hù)柵極作用。微處理器通過讀取負(fù)載電阻R8上的電壓值，計算出負(fù)載電流，可以對負(fù)載的過流和短路進(jìn)行保護(hù)處理。

3 控制器編碼電路軟件設(shè)計

對于本系統(tǒng)中的控制器，由于是充當(dāng)電力和信號提供的角色，則只提供發(fā)送指令功能。控制器中單片機(jī)的主要實現(xiàn)以下功能和關(guān)鍵技術(shù)：通過串口接收用戶指令、檢測過零信號、對電力線進(jìn)行編碼。

3.1 串口接收用戶指令

當(dāng)串口接收到指令后，單片機(jī)會進(jìn)入接收中斷，由于會收到多條指令，需要設(shè)立一個指令緩沖區(qū)存儲未被處理的指令。串口中斷處理程序完成后，根據(jù)指令是否有效，如果有效則給上位機(jī)發(fā)送響應(yīng)信息，并將有效指令編碼成數(shù)據(jù)字節(jié)，放入發(fā)送緩沖區(qū)等待主程序進(jìn)行檢測發(fā)送。

3.2 過零信號檢測

基于電力線的數(shù)字傳輸，需要精確的時間點進(jìn)行編碼，便于下位機(jī)對電力線上的編碼進(jìn)行準(zhǔn)確識別。因此，控制器單片機(jī)需檢測電力線的每一次過零信號，使得后續(xù)的編碼信號有一個時間參考點。參考圖3，過零檢測信號連接到單片機(jī)的中斷輸入接口“int0”，過零檢測信號電平波形如圖4的“Vint”，從圖中可知，“Vint”信號下降沿開始到“Vint”變高的t0時間的中點為過零點。

3.3 電力線編碼

根據(jù)表1的編碼規(guī)則，每個數(shù)字位的編碼耗時約2ms。對于50Hz交流電信號則從過零點開始8ms的時間開始進(jìn)行編碼。一幀數(shù)據(jù)包含起始位、8位地址位、 8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位和停止位。當(dāng)新的一幀數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，先發(fā)送一位起始位，然后每個電力正弦波半周期發(fā)送1位(Bit)數(shù)據(jù)，低位在先。每一次發(fā)送 1位完成后，數(shù)據(jù)字節(jié)右移，直至地址和數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送完成后，最后發(fā)送校驗位和停止位。如圖4的“Vout”為電力信號經(jīng)過編碼后的輸出波形圖。

4 受控設(shè)備解碼電路硬件設(shè)計

受控設(shè)備通過過零檢測電路還原上位機(jī)的指令信息。每幀指令信息包含起始位、地址、數(shù)據(jù)、奇校驗位和停止位。受控設(shè)備接收屬于本機(jī)地址相匹配的控制信息，并根據(jù)指令協(xié)議所定義的功能做出相應(yīng)的控制。

圖5為受控設(shè)備的過零信號檢測電路，各元件的參數(shù)需要與控制器的過零檢測電路元件參數(shù)一致。由于所有的受控設(shè)備的電源輸入端并聯(lián)一起接在控制器的輸出端，為了減少受控設(shè)備電源輸入線路的容性對控制編碼脈沖上升沿的影響，受控設(shè)備電源輸入端需要減少輸入端電容。圖5是一種受控設(shè)備的電源方案，電源輸入兩端連接壓敏電阻VR，防止高壓的影響，共模電感L1有利于消除EMC干擾信號，經(jīng)過橋堆B3整流后由C1濾波，AC/DC隔離開關(guān)電源的輸出級工作電壓Vdd 和控制邏輯電路工作電壓Vcc。微處理器通過INT0接口接收控制器的指令，并對接收的控制信號進(jìn)行解碼，根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定對后級進(jìn)行功能控制。圖6為受控設(shè)備輸入端電壓Vin波形和經(jīng)過過零檢測電路后在INT0端的電壓Vo波形圖。

5 受控設(shè)備解碼電路軟件設(shè)計

在實際應(yīng)用中，受控設(shè)備于系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)接收控制信號，對信號進(jìn)行解碼并執(zhí)行指令的對應(yīng)控制。如圖6所示的“Vo”波形圖為經(jīng)過過零檢測電路后“int0”端口的波形，基于AC220V/50Hz電力系統(tǒng)的應(yīng)用參數(shù)。本編碼方法主要體現(xiàn)在高低電平持續(xù)時間，因此解碼需要用到一個定時/計數(shù)器及一個外部中斷IO 口，以判斷此位數(shù)據(jù)是何種類型。

一個不經(jīng)過削波編碼的完整正弦波的過零信號是一個寬度約為1.9—2.1ms的低電平，而一幀數(shù)據(jù)的起始位為寬度0.4—0.6ms的低電平和0.4— 0.6ms的高電平;一個數(shù)據(jù)位“0”為寬度0.15—0.35ms的低電平和0.15-0.35ms的高電平;一個數(shù)據(jù)位“1”為寬度0.1 5—0.35ms的低電平和0.4-0.6ms的高電平。程序上，當(dāng)收到一個正確的起始位后，開始接收17bit的數(shù)據(jù)和一個停止位，第17bit對2字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗，如果校驗正確，則判斷接收到正確的一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)刂放c本機(jī)地址相符合，則根據(jù)協(xié)議執(zhí)行響應(yīng)控制。

6 應(yīng)用

在室內(nèi)照明控制系統(tǒng)中，數(shù)字可尋址照明接口(DALI)技術(shù)利用雙線控制總線對6 4個獨立地址的照明燈具進(jìn)行智能化控制，包括對燈具進(jìn)行最多1 6個分組、和定義最多1 6個照明場景。每幀數(shù)據(jù)由1個字節(jié)的地址和1個字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，采用本文的交流電數(shù)字編碼技術(shù)，把DALI控制信號經(jīng)過調(diào)光控制器轉(zhuǎn)換成電力線調(diào)制的數(shù)字化交流供電控制合一的控制信號，可以簡化系統(tǒng)布線，非常適合室內(nèi)照明系統(tǒng)的應(yīng)用。如下圖7是照明控制系統(tǒng)中，DALI系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電力線數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用框架，通過兩條交流供電電纜實現(xiàn)了照明燈具的精確定位調(diào)光調(diào)色控制。

7 結(jié)論

本文介紹了一種對交流電進(jìn)行數(shù)字編碼的控制方法，通過高壓功率驅(qū)動器件對交流電的正負(fù)半波的后沿進(jìn)行數(shù)字脈沖編碼，實現(xiàn)電力線傳輸數(shù)字控制信號的目的，在室內(nèi)調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)用中，簡化了系統(tǒng)布線，減少諧波干擾，實現(xiàn)了可精確尋址的調(diào)光調(diào)色控制。