基于嵌入式/PL2000A的電力線載波通信接口設(shè)計(jì)

1 概述

作為世界上最大的網(wǎng)絡(luò)，電力線網(wǎng)絡(luò)的主要功能是輸送電能，但是，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于電力線路的通信成為今年的熱門話題，利用電力線來(lái)實(shí)現(xiàn)通信對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備之間的通信和現(xiàn)代電能計(jì)算管理將起重要作用，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有一些成功的應(yīng)用實(shí)例，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是基于電力線載波通信的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，另外，對(duì)電能數(shù)據(jù)的采集和傳輸，對(duì)電力設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)，以及電能的優(yōu)化調(diào)度等也可以借助電力線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于載波技術(shù)的電力線通信已成為目前電力系統(tǒng)智能化通信的發(fā)展方向之一。

2 電力線載波通信的方式和特點(diǎn)

電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式高速傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的技術(shù)，由于使用堅(jiān)固可靠的電力線作為載波信號(hào)的傳輸介質(zhì)，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理特點(diǎn)，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

電路線通信是先將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過(guò)耦合器耦合到220v或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實(shí)用的新興通信手段，而且具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護(hù)、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了良好的前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

電力線通信的關(guān)鍵是如何保證在電力線上長(zhǎng)距離的可靠通信，在電力線上通信存在以下問(wèn)題：電力線間歇性噪聲較大（某些電器的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲）；信號(hào)衰減快，線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等等，這些問(wèn)題使電力線通信非常困難，電力線載波通信的關(guān)鍵是功能強(qiáng)大的電力線載波專門電路，目前，采用pl2000a型電力線收發(fā)器（或調(diào)制解調(diào)器）等專用電路能提供較好的解決方案。

3 pl2000a簡(jiǎn)介

pl2000a是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，是pl2000型的升級(jí)產(chǎn)品，它由+5v單電源供電，用一種外部接口電路與電力線耦合，pl2000a除具備原有系統(tǒng)基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置5種常用功能電路：實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、32bytes的sram、電壓監(jiān)測(cè)器、看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路，它們都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的i2c接口與外部的微處理器相連，其中時(shí)鐘和32 bytes sram在主電源掉電的情況下可由3v備用電池供電，pl2000a是特別針對(duì)我國(guó)電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信電路，信噪比及數(shù)據(jù)傳輸性能比pl2000有大幅度的提高，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一倍（500b/s）。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成、二相相移鍵控等新技術(shù)，還具有120k赫茲的載頻，15k赫茲的帶寬，0.5mvrms（500b/s）的接收靈敏度，15位偽碼長(zhǎng)度和可編程同步捕獲門限的功能，以及大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.5μm comos工藝，所以抗干擾、抗衰減性價(jià)比等更加突出。

4 擴(kuò)頻通信的原理

擴(kuò)頻通信技術(shù)是利用與欲傳輸數(shù)據(jù)（信號(hào)）無(wú)關(guān)的碼對(duì)被傳輸?shù)男盘?hào)擴(kuò)展頻譜，使之占有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被傳送信息所必需的最小帶寬，在接收機(jī)中利用同一碼進(jìn)行相關(guān)接收和和恢復(fù)數(shù)據(jù)，從著名的shnaon公式可知，在白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的信道容量可用下式表示：

c＝blog2（1＋s/n）（bit/s） （1）
其中，b為信道帶寬，s為信號(hào)平均功率，n為噪聲平均功率，若白噪聲功率譜密度為n0，則
c/b＝1.44loge[1＋s/nob）] （2）
對(duì)于干擾環(huán)境下的典型情況，s/n＜＜1，應(yīng)用冪級(jí)數(shù)展開，則可得：
c/b≈1.44s/（n0b） （3）
這說(shuō)明對(duì)于給定的信道容量而言，既可用增大信道帶寬同時(shí)相應(yīng)降低信噪比的辦法達(dá)到，又可以用減小信道帶寬同時(shí)相應(yīng)增大信噪比的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)信道容量可以利用信道帶寬與信噪比的互換而保持不變，從理論上講，對(duì)于任意給定的信噪比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，就可以增加在信道中無(wú)誤差傳輸?shù)男畔⑺俾省?

5 電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

采用pl2000a的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)配合單片機(jī)完成數(shù)據(jù)電力線通信線路的擴(kuò)頻發(fā)射和擴(kuò)頻接收。通過(guò)單片機(jī)的串口及電平轉(zhuǎn)換，還可與pc上位機(jī)通信，從圖1可以看出，該通信系統(tǒng)的硬件主要有電源、rs－232接口部分，單片機(jī)處理部分，載波接口部分（如載波信號(hào)接收、載波信號(hào)發(fā)射和載波信號(hào)預(yù)處理等），單片機(jī)復(fù)位等接口電路。

在圖1中，作為電力線通信系統(tǒng)核心的pl2000a完成載波信號(hào)的接收和解擴(kuò)，當(dāng)然還需由其他部件（如圖2中的mc3361）完成載波信號(hào)預(yù)處理，載波擴(kuò)頻發(fā)射由單片機(jī)控制，通過(guò)pl2000a擴(kuò)頻編碼處理，再通過(guò)后續(xù)推動(dòng)電路完成擴(kuò)頻載波信號(hào)的功率輸出，pl2000a載波通信為同步、半雙工方式，由幀頭進(jìn)行同步，常態(tài)為載波接收模式，單片機(jī)接口提供單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)，看門狗信號(hào)及載波收發(fā)控制信號(hào)。pl2000a具有與51系列單片機(jī)兼容的高電平復(fù)位信號(hào)，由pl2000a的rst端輸出。pl2000a可為單片機(jī)提供看門狗功能，看門狗計(jì)數(shù)器清零輸入端為wdi。當(dāng)wdi端持續(xù)436ms以上無(wú)高低電平變化時(shí)，將導(dǎo)致看門狗計(jì)數(shù)器溢出，使pl2000a的rst輸出復(fù)位高電平。
6 載波通信系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)
6.1 硬件設(shè)計(jì)
由pl2000a組成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，二極管d3、d4、d5、d6和三極管g1、g2、g3、g4組成功率放大電路，該電路將pl2000a產(chǎn)生的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大后耦合到電力線上。d1、d2、d7、l2、t1組成載波耦合接收電路，由功率放大電路后的信號(hào)波形富含諧波，為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。由電感器l1與電容器完成整形濾波后，再通過(guò)耦合線圈t1耦合到低壓電力線上，雙向二極管d7起保護(hù)作用。由mc3361對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送到pl2000a的sin端。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

通信軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)與pl2000a通過(guò)i2c接口的通信及pl2000a的載波信號(hào)接收和發(fā)射。單片機(jī)通過(guò)i2c接口從pl2000a讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖3所示，這個(gè)過(guò)程是主器件（單片機(jī)）讀取pl2000a內(nèi)任意地址的寄存器內(nèi)容，要完成這種方式的讀操作需要首先設(shè)置片內(nèi)地址指針寄存器，這可通過(guò)將地址字節(jié)作為寫操作的一部分送給pl2000a來(lái)完成，發(fā)送了地址字節(jié)后，主器件在確認(rèn)位后面立即產(chǎn)生起始位，用這種方式結(jié)束寫操作并開始另一次讀操作，主器件再次發(fā)出器件代碼，并使r/w位為"1"，pl2000a將發(fā)出確認(rèn)位并隨后發(fā)送由上次地址寫操作設(shè)置的地址指針尋址的8位數(shù)據(jù)字節(jié)，然后主器件不確認(rèn)傳遞（產(chǎn)生nack），再產(chǎn)生停止位結(jié)束本次操作。

以下是單片機(jī)通過(guò)i2c接口從pl2000a讀多字節(jié)數(shù)據(jù)的部分代碼：



7 結(jié)束語(yǔ)

由于pl2000a采用擴(kuò)頻方式通信，因此在很多領(lǐng)域都可以推廣和應(yīng)用，如載波抄表（水、電、氣表）、電網(wǎng)管理、家庭自動(dòng)化（網(wǎng)絡(luò)家電、家用電器控制）、智能大廈及樓宇控制、辦公室間通信、火警及安全防范系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)終端接口及載波電話等。