DC 應(yīng)用的電力線通信實(shí)施

　　引言

　　電力線通信(PLC)是一種通過現(xiàn)有電力線纜發(fā)送數(shù)據(jù)的通信技術(shù)。該技術(shù)可采用半雙工方式在PLC節(jié)點(diǎn)之間傳輸電力與數(shù)據(jù)。由于能通過相同線路同時(shí)傳輸電力及數(shù)據(jù)，因此PLC技術(shù)無需使用額外線路與設(shè)備互聯(lián)。PLC可為各種廣泛應(yīng)用提供低成本通信媒介，充分滿足可能采用其它技術(shù)組網(wǎng)成本過高的環(huán)境需求。作為通信技術(shù)，PLC可分為兩大類：

　　●寬帶PLC適合互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡(luò)連接。它一般工作在較高頻率(1.8至250MHz)

　　和高數(shù)據(jù)速率(高達(dá)數(shù)百M(fèi)bps)下，多為較短距離應(yīng)用使用。

　　●窄帶PLC適用于需要窄帶控制或低帶寬數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，這些應(yīng)用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率(3到500KHz)和較低數(shù)據(jù)速率(幾百kbps)下，具有較大的覆蓋范圍(達(dá)數(shù)公里)，該覆蓋范圍可通過中繼器擴(kuò)大。

　　根據(jù)底層電力線特征，PLC還可進(jìn)一步細(xì)分為AC電力線PLC和DC電力線PLC.

　　世界各地許多公共事業(yè)單位都選擇AC線路窄帶PLC用于其智能電網(wǎng)項(xiàng)目。他們通過按日、甚至按設(shè)備或應(yīng)用監(jiān)控用電情況，提供能夠激勵(lì)消費(fèi)者調(diào)整用電的定價(jià)結(jié)構(gòu)，從而可減輕峰值負(fù)荷，避免興建新的電廠。

　　PLC在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的廣泛采用已引起對(duì)AC電力線PLC的高度重視。不過在家庭網(wǎng)絡(luò)、照明和太陽能應(yīng)用以及交通運(yùn)輸車輛(飛機(jī)、汽車和列車中的電子控制)中，DC電力線窄帶PLC也在興起。在這些應(yīng)用中使用PLC，可降低布線復(fù)雜性、重量以及通信的最終成本。

　　在本文中，我們將重點(diǎn)介紹DC電力線PLC的使用，并提供可幫助客戶迅速有效采用這一技術(shù)的參考設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)集成人員常提出這樣的問題：如何比較DC電力線PLC和低功耗無線技術(shù)的優(yōu)劣?雖然DC線路PLC和低功耗無線都不需要新電線布置，但使用PLC時(shí)，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運(yùn)營商或公共事業(yè)單位所有，因此不存在共享帶寬風(fēng)險(xiǎn)。PLC沒有視線限制，不受天氣影響。

　　DC PLC解決方案的高靈活性

　　開發(fā)一款有效PLC解決方案有其難度。一般電力線噪聲大，需要穩(wěn)健的系統(tǒng)架構(gòu)才能確保數(shù)據(jù)可靠性。每個(gè)最終應(yīng)用及工作環(huán)境都不同，因此需要靈活的設(shè)計(jì)來適應(yīng)各種不同的條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一款高靈活平臺(tái)，其不僅可幫助他們根據(jù)每種應(yīng)用的具體要求優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且還能讓設(shè)計(jì)適應(yīng)未來出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)和新市場機(jī)遇。通過這種方式，可以在多種應(yīng)用中重復(fù)使用知識(shí)產(chǎn)權(quán)，加速開發(fā)及產(chǎn)品上市進(jìn)程，并不斷擴(kuò)大市場機(jī)遇。

　　實(shí)現(xiàn)高靈活性的關(guān)鍵點(diǎn)是軟硬件的模塊化架構(gòu)。將復(fù)雜的PLC系統(tǒng)拆分為多個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，開發(fā)人員可在無需全部重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的情況下修改設(shè)計(jì)的某個(gè)方面(比如所使用的調(diào)制方案或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)。各種可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的部分實(shí)例包括：

　　●調(diào)制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開發(fā)人員為具體應(yīng)用實(shí)施最高效率的調(diào)制方案。例如針對(duì)窄帶通信提供的幾個(gè)調(diào)制方案，包括展頻移鍵(S-FSK)與正交頻分多路復(fù)用(OFDM)調(diào)制等;

　　●通信協(xié)議：為實(shí)現(xiàn)互操作性，設(shè)備可能需要符合具體協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員通過使用高靈活平臺(tái)，既可輕松實(shí)施常用的PLC標(biāo)準(zhǔn)(包括S-FSK (IEC61334)、PRIME和G3)，也可實(shí)施能滿足其應(yīng)用特定需求的定制協(xié)議。

　　圖1：PLC通信協(xié)議的比較

　　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)窄帶DC PLC應(yīng)用規(guī)定很少，而且在許多應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)處于獨(dú)立狀態(tài)。在這些情況下，可以使用較為簡單的通信協(xié)議棧。這類較簡單專有協(xié)議棧的一個(gè)具體實(shí)例是德州儀器(TI)的PLC-Lite(圖1)。該協(xié)議棧特別適合不需要G3及PRIME復(fù)雜性、但仍然需要穩(wěn)健通信通道的低成本環(huán)境及應(yīng)用。

　　對(duì)于樓宇網(wǎng)絡(luò)(只需幾Kbps)中的簡易燈泡或墻壁開關(guān)而言，PLC-Lite是理想的解決方案。PLC-Lite不僅提供21Kbps的最大數(shù)據(jù)速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對(duì)某種類型的干擾提供更高的穩(wěn)健性，其中包括可影響G3鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite包含簡單的載波感測多路訪問與沖突避免(CSMA/CA)介質(zhì)訪問控制(MAC)層，其能夠與任何應(yīng)用協(xié)議棧集成。

　　由于結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)速率較低，因此PLC-Lite每鏈路的實(shí)施成本明顯較低。此外，它還可帶來極高的靈活性，允許設(shè)計(jì)人員在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限制以外定制通道鏈路。圖2是PLC-Lite完整特性集的總括。

　　圖2：TI PLC-Lite的特性

　　電力線接口挑戰(zhàn)

　　對(duì)于DC PLC實(shí)施而言，在系統(tǒng)中連接電力線會(huì)帶來另一重需要解決的挑戰(zhàn)。部分特定問題方面包括：

　　●多重節(jié)點(diǎn)支持的阻抗控制;

　　●任何電源開關(guān)的PLC濾波;

　　●實(shí)現(xiàn)可靠AC耦合所需的電力線耦合保護(hù)電路。

　　(1)多節(jié)點(diǎn)支持

　　大多數(shù)DC PLC實(shí)施需要支持通過單根電力線總線連接的大量節(jié)點(diǎn)(幾十個(gè)到幾百個(gè))，以帶來實(shí)用性。要讓傳輸信號(hào)在沒有明顯衰減的情況下達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)，主要要求體現(xiàn)為我們熟悉的等式：

　　源阻抗 << 負(fù)載阻抗(等式 1)

　　我們會(huì)在參考設(shè)計(jì)中說明如何達(dá)到這一點(diǎn)。對(duì)于以下分析，假設(shè) PLC-Lite 的調(diào)制頻率大約為 40KHz。我們隨后可計(jì)算 PLC 節(jié)點(diǎn)的源阻抗(等式 2)。

　　(等式 2)

　　其中：

　　c = C6 = 22 μF(圖 3)

　　圖 3：輸入耦合級(jí)電路

　　假設(shè)給定接收器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載阻抗和在發(fā)送器節(jié)點(diǎn)上看到的一樣，大約為 30Ohm。在新增多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載是阻抗的并聯(lián)組合，因此可降低該負(fù)載阻抗。例如，如果系統(tǒng)中有九個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可計(jì)算通過一個(gè)發(fā)送器節(jié)點(diǎn)可以看到的總體負(fù)載阻抗，如等式 2 所示。

　　下面以兩種情況為例。一種情況是：一個(gè)發(fā)送器(主)節(jié)點(diǎn)和四個(gè)接收器(從)節(jié)點(diǎn)。另一種情況是：一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和九個(gè)從節(jié)點(diǎn)。根據(jù)等式 2 的計(jì)算，源阻抗要求會(huì)隨從節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化而變化。

　　● 9 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 10 個(gè) PLC 節(jié)點(diǎn)，負(fù)載阻抗 = 30/10 = 3 Ohms;

　　● 4 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 5 個(gè) PLC 節(jié)點(diǎn)，負(fù)載阻抗 = 30/5 = 6 Ohms

　　圖 4：一個(gè)發(fā)送器、沒有接收器的測試結(jié)果

　　圖 5：1 個(gè)發(fā)送器和 4 個(gè)接收器的測試結(jié)果

　　如圖 4、圖 5 所示，隨著從節(jié)點(diǎn)的增多，調(diào)制信號(hào)的幅度有明顯變化。在前面的設(shè)置中，DC 線路是以探針方式與示波器連接的(AC 耦合)。按下 PLC 節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)外部開關(guān)，即可觸發(fā)示波器，隨后生成一個(gè) PLC 通信猝發(fā)。

　　(2)任何電源開關(guān)的PLC濾波

　　DC PLC設(shè)計(jì)過程中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是PLC節(jié)點(diǎn)必須使用DC電源才能生成本地電壓(15V、3.3V)并調(diào)制相同的DC電源。如果不采用適當(dāng)?shù)臑V波技術(shù)，在這種情況下DC/DC開關(guān)電源就會(huì)對(duì)PLC調(diào)制造成干擾。

　　圖6：電源濾波電路

　　如圖6所示，低通濾波器可將PLC調(diào)制信號(hào)從開關(guān)穩(wěn)壓器中分開。低通濾波器的Fc可根據(jù)PLC調(diào)制占用的頻帶進(jìn)行計(jì)算。由于PLC Lite占用42KHz到90KHz，因此在L=360μH(180μH + 180μH)和C=1μF時(shí)，該低通濾波器的Fc就為：

　　(3)可靠AC耦合的電力線耦合保護(hù)電路

　　APLC模擬前端(AFE)會(huì)受DC電源浪涌的影響。因此必須設(shè)計(jì)AC耦合級(jí)，PLC節(jié)點(diǎn)才能在惡劣環(huán)境中可靠工作。

　　圖7：第一級(jí)AC耦合

　　圖8：第二級(jí)AC耦合

　　為確保整體系統(tǒng)可靠性，DC線路不直接AC耦合至AFE器件。該線路會(huì)經(jīng)過兩級(jí)AC耦合流程(圖7、圖8)。在第一級(jí)中，DC線路先AC耦合至一個(gè)有TVS保護(hù)的中間級(jí)，這樣可針對(duì)43.5A的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在9.2V.在該級(jí)中共模偏向接地。在第二級(jí)AC耦合中，數(shù)據(jù)在7.5V DC偏置電壓下AC耦合至AFE器件。

　　參考設(shè)計(jì)

　　DC(額定24V)電力線通信(PLC)參考設(shè)計(jì)旨在作為評(píng)估板幫助用戶為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)最終產(chǎn)品，充分利用該功能在同一DC電力線上實(shí)現(xiàn)電力傳輸與通信。該參考設(shè)計(jì)能夠以極小(大約1英寸的直徑)的工業(yè)尺寸為主從節(jié)點(diǎn)的硬件及固件設(shè)計(jì)提供完整的設(shè)計(jì)指南。設(shè)計(jì)文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium文件、光繪文件、帶應(yīng)用層的完整軟件套件以及簡單易用的圖形用戶界面(GUI)。

　　應(yīng)用層不僅支持從節(jié)點(diǎn)，而且還支持主機(jī)處理器(比如PC或Sitara ARM MPU)的通信(圖9)。主機(jī)處理器只通過USB-UART接口與主節(jié)點(diǎn)通信。主節(jié)點(diǎn)隨后通過PLC與從節(jié)點(diǎn)通信。評(píng)估板(EVM)也提供簡單易用的GUI(圖10)，其不僅通過主機(jī)處理器運(yùn)行，而且還提供地址管理以及從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控及用戶控制功能。

　　參考設(shè)計(jì)針對(duì)每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的源阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，我們可將多個(gè)從設(shè)備連接至主設(shè)備。模擬前端(AFE)已經(jīng)添加了保護(hù)電路，能夠可靠AC耦合至24V線路。該參考設(shè)計(jì)的布局根據(jù)AFE031大電流線跡的布局要求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖9：參考設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方框圖

　　圖10：GUI工具截圖

　　結(jié)論

　　在本文中，我們回顧了窄帶DC電力線PLC是各種工業(yè)應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)的有效工具的原因所在。該方案可充分發(fā)揮AC電力線應(yīng)用的PLC在現(xiàn)有智能電網(wǎng)部署中的成功使用優(yōu)勢。支持PLC的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC電力線的連接也需要精心的設(shè)計(jì)考量，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)健地?cái)U(kuò)展至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

　　為解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將DC電力線PLC成功運(yùn)用于自己的應(yīng)用，TI推出了一款基于TI模擬前端AFE031及C2000微控制器[2]的DC PLC參考設(shè)計(jì)[1].該參考設(shè)計(jì)配套提供完整系列的硬件設(shè)計(jì)文件、MCU固件、基于GUI的應(yīng)用軟件以及極為詳盡的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果文檔。設(shè)計(jì)人員可輕松評(píng)估該平臺(tái)，有效構(gòu)建自己的最終應(yīng)用。