安森美半導(dǎo)體電力線載波芯片的特點(diǎn)及其應(yīng)用

一、配電線通訊

中低壓交流配電線用于電能的輸送同時(shí)，也可作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。電力線載波通訊（PLC）技術(shù)就是通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)在配電線上進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對(duì)較為低廉的成本，使這項(xiàng)技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。

圖1就是PLC技術(shù)典型的應(yīng)用案例——遠(yuǎn)程電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的示意圖。

電表通過電力線與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò)的核心管理者。它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺(tái)集中器可管理幾十至幾百只電表。

在這個(gè)系統(tǒng)中，集中器會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程集中抄表。

1.1 EDF項(xiàng)目

當(dāng)今世界上許多國(guó)家都已采用或即將部署智能電表系統(tǒng)并采用自動(dòng)遠(yuǎn)程集抄方式。目前備受關(guān)注的就是法國(guó)ERDF的Linky電表項(xiàng)目。

歐盟最大的電力配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，法國(guó)電力集團(tuán)（EDF）的子公司--法國(guó)電網(wǎng)輸送公司（ERDF）已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)涉及總數(shù)量3500萬只電表的項(xiàng)目。該項(xiàng)目從2012年至2017年，將把法國(guó)國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)電表統(tǒng)一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線載波（PLC）技術(shù)。

項(xiàng)目對(duì)PLC的主要技術(shù)要求如下：

物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1

調(diào)制方式：S-FSK

通信載波頻率：Fm (傳號(hào)頻率)：63.3KHz；Fs(空號(hào)頻率)：74KHz

通信速率：2400 Baud

物理層與電力線50Hz同步

應(yīng)用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511

1.2安森美半導(dǎo)體與PLC通訊

安森美半導(dǎo)體針對(duì)低/中壓電力線上數(shù)據(jù)通訊而研發(fā)了S-FSK PLC Modem，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過8年的成功應(yīng)用。Modem是采用S-FSK調(diào)制方式的窄帶PLC收發(fā)器，是目前唯一經(jīng)過多年市場(chǎng)驗(yàn)證的器件。

產(chǎn)品從早期的AMIS-30585發(fā)展到如今第二代產(chǎn)品AMIS-49587。

AMIS-49587完全滿足ERDF的技術(shù)要求，已被Linky智能電表供應(yīng)商選中作為PLC通信的核心器件。

下文中，結(jié)合EDF Linky電表項(xiàng)目的需求，介紹AMIS-49587的特點(diǎn)。

二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發(fā)器

2.1 Linky電表OSI層參考模型：

Linky項(xiàng)目采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

- 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)。

- 數(shù)據(jù)鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標(biāo)準(zhǔn)

- 應(yīng)用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標(biāo)準(zhǔn)

AMIS-49587最突出的特點(diǎn)在于其作為PLC收發(fā)器除了完成物理層S-FSK信號(hào)的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)外，還向上包含了MAC子層的處理。這個(gè)特點(diǎn)使用戶得以把更多的精力放在應(yīng)用層的開發(fā)。通過AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層（LLC Layer）數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗(yàn)等都會(huì)被自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開發(fā)方面的工作量。

2.2 物理層采用優(yōu)化的 S-FSK

電力配電線并不是為信號(hào)傳送而專門設(shè)計(jì)的，它的阻抗處于隨時(shí)變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調(diào)制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對(duì)電力線特殊情況具有良好的通訊效果。

FSK（頻移鍵控）是經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)成本較低的頻率調(diào)制方式：利用兩個(gè)獨(dú)立的載頻傳送二進(jìn)制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個(gè)頻率盡可能遠(yuǎn)離，（>10KHz）使兩個(gè)頻率傳輸質(zhì)量相對(duì)獨(dú)立，以更好的應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中常見的窄帶干擾的影響。

圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個(gè)載頻的接收信號(hào)信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號(hào)頻率）和f1（傳號(hào)頻率）產(chǎn)生兩個(gè)解調(diào)信號(hào)-dS和dM，如果dS>dM，認(rèn)為收到數(shù)據(jù)“0”；反之認(rèn)為是數(shù)據(jù)“1”，這種情況接收器工作在FSK模式；如果遇到窄帶干擾使其中一個(gè)載頻下的信噪比很差時(shí)，接收器將忽略這個(gè)信道，用另一個(gè)較好信道的解調(diào)信號(hào)與一個(gè)內(nèi)部閾值T作比較來決定收到“1”還是“0”。此時(shí)接收器工作在幅移鍵控ASK模式。

此外，Modem內(nèi)部處理器的解調(diào)算法尤為重要。其對(duì)接收靈敏度影響很大。Linky項(xiàng)目要求接收機(jī)在S-FSK信號(hào)有效值2mV至2V內(nèi)都可正常識(shí)別。

靈活的調(diào)制解調(diào)模式、先進(jìn)可靠的解調(diào)算法使AMIS-49587具有優(yōu)異的抵抗電力線上干擾的性能。

2.3 物理層幀格式

AMIS-49587按照IEC61334-5-1物理幀格式來傳送數(shù)據(jù)。

2.4 MAC幀與物理幀

物理幀以時(shí)間片（或稱時(shí)隙，Time Slot）為發(fā)送間隔。幀起點(diǎn)被稱為時(shí)間片指示器Slot indicator，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)電力線電壓50Hz的過零點(diǎn)?？蛻舳耍–lient，也就是主機(jī)）必須在過零點(diǎn)開始發(fā)送物理幀。IEC61334-5-1的整個(gè)系統(tǒng)都是以時(shí)間片為同步依據(jù)的，了解這一點(diǎn)十分重要。

以2400bps速率為例，傳送1個(gè)時(shí)間片或物理幀的時(shí)間需要150mS。

物理幀由前導(dǎo)碼Preamble、起始子幀定界符Start Subframe. Delimiter、MAC子幀(Data)和暫停域Pause組成。

物理幀總是起始于基本時(shí)間片的整數(shù)倍，這時(shí)刻稱作時(shí)間片指示器。在時(shí)間片同步后，每個(gè)裝置的物理層就可以通過它的內(nèi)部時(shí)鐘獨(dú)立地跟蹤時(shí)間片指示器。

前導(dǎo)碼和起始子幀定界符（AAAAh和54C7h）具有重要意義。接收方可以在接收這4個(gè)字節(jié)期間：

1） 調(diào)整確定接收增益

2） 測(cè)量信噪比

3） 確定解調(diào)方式 FSK 或ASK

4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開始

5） 調(diào)整服務(wù)器（Server，也就是從機(jī)）與客戶端（Client）同步

如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發(fā)送。一個(gè)物理幀有38個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)域，一次可以發(fā)送一個(gè)MAC子幀。長(zhǎng)MAC幀可以由多達(dá)7個(gè)MAC子幀組成。有多個(gè)MAC子幀的長(zhǎng)MAC幀會(huì)被拆分成幾個(gè)子幀，由相應(yīng)數(shù)量的物理幀順序發(fā)送。接收方全部接收后，再把它們整合起來。

MAC幀頭Header由子幀數(shù)、初始可信值IC、當(dāng)前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長(zhǎng)度Pad Length組成?？尚胖档氖褂脮?huì)在后面中繼的章節(jié)中詳細(xì)介紹。LLC幀作為數(shù)據(jù)被包含在MAC幀中。

三、安森美半導(dǎo)體PLC解決方案

方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅(qū)動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

PLC信號(hào)的發(fā)送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調(diào)制出的S-FSK信號(hào)經(jīng)過NCS5650進(jìn)行放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換和阻抗匹配，也用于強(qiáng)弱電的隔離。NCS5650除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大外，其兩級(jí)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對(duì)電力線接入設(shè)備有嚴(yán)格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統(tǒng)對(duì)電力線的高頻干擾注入滿足EN 50065規(guī)范的要求。

藍(lán)色箭頭標(biāo)注出了接收路徑：變壓器從電力線耦合過來的信號(hào)經(jīng)過AMIS-49587內(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器在內(nèi)部ARM進(jìn)行FSK解調(diào)分析。

圖6中黑色箭頭是50Hz的過零檢測(cè)信號(hào)引腳。系統(tǒng)依靠這個(gè)信號(hào)進(jìn)行同步定時(shí)。

圖中藍(lán)色虛線框內(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負(fù)責(zé)通訊應(yīng)用層處理及計(jì)量。其與PLC Modem的接口是簡(jiǎn)單的SCI串行口。

方案的供電十分簡(jiǎn)單：一路12V--供給線路放大器，用于驅(qū)動(dòng)PLC信號(hào)耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。

3.1 AMIS-49587功能框圖

我們?cè)倭私庖幌翧MIS-49587的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

AMIS-49587的核心是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運(yùn)行S-FSK調(diào)制解調(diào)的算法，同時(shí)也管理著與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲(chǔ)存在片內(nèi)ROM中。

芯片左邊是模擬部分：FSK信號(hào)合成輸出、接收解調(diào)以及系統(tǒng)時(shí)鐘和50Hz的鎖相環(huán)。

芯片包含了所有S-FSK信號(hào)處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。變壓器驅(qū)動(dòng)由于是功率放大部分成為收發(fā)器板上的發(fā)熱源。為了防止高熱可能給系統(tǒng)精度帶來影響，AMIS-49587并沒有把信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)納入這顆IC中，而是采用外置方案。

3.2 獨(dú)特的系統(tǒng)中繼方案

在網(wǎng)絡(luò)通訊中，長(zhǎng)距離的信息傳送需要中繼來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進(jìn)行中繼。在這種中繼方案中，系統(tǒng)沒有需要預(yù)先設(shè)定的中繼器Repeater。其核心理念是每一個(gè)服務(wù)器端（即電表）都可以是其它服務(wù)器的Repeater，幫助把信息或命令接續(xù)