通過 G3 開發(fā)穩(wěn)健的電力線通信 (PLC) - II

作者: Xiaolin Lu ， 智能電網(wǎng)研發(fā)經(jīng)理， 德州儀器公司； Olivier Monnier ， 全球市場經(jīng)理 達(dá)拉斯電力線通信 (PLCPLC

通過軟件實(shí)現(xiàn)PLC靈活性

憑借其 plcSUITE^TM軟件，TI 提供了一款適合 PLC 所有主要特點(diǎn)的完整有效解決方案，并可為應(yīng)用提供全面的 PHY 和 MAC 層處理功能以及一個(gè) API（第 5 頁上的圖 1）。而且，利用軟件來實(shí)現(xiàn) PLC 系統(tǒng)還使開發(fā)人員能夠支持 G3（包括 G3-FCC）的每一項(xiàng)特點(diǎn)，而不限于面向需要較高數(shù)據(jù)速率之設(shè)備的 PRIME 標(biāo)準(zhǔn)以及針對(duì)低成本應(yīng)用的 PLC-Lite^TM，從而為其提供了巨大的靈活性。

plcSUITE軟件框架

圖 1：TI 的plcSUITE^TM軟件提供了一款適合 PLC 所有主要特點(diǎn)的完整有效解決方案，并可為應(yīng)用提供全面的 PHY 和 MAC 層處理功能以及一個(gè) API。例如：該堆棧提供了一個(gè)一直通到計(jì)量應(yīng)用的無縫接口，從而簡化了 PLC 設(shè)計(jì)并大幅度地加快了開發(fā)進(jìn)程。

TI 簡單易用的 plcSUITE 軟件庫使得開發(fā)人員能夠在較短的時(shí)間里完成 PLC 設(shè)計(jì)的定制，并加快其產(chǎn)品的上市進(jìn)程。該軟件庫為端到端產(chǎn)品，可提供用于解決方案的端點(diǎn)側(cè)（電子式電表和數(shù)據(jù)集中器）和控制器側(cè)的解決方案，因此開發(fā)人員可了解并控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。此外，plcSUITE 既可用作一個(gè)"黑匣子"解決方案，也可以用作一個(gè)"平臺(tái)"，令開發(fā)人員能在 PLC 庫之外增添其自有的 IP，從而在市場上實(shí)現(xiàn)更大的產(chǎn)品差異化。

開發(fā)人員可申請(qǐng) TI 源代碼的授權(quán)版本，這使他們可以選擇只采用其所需的組件。同時(shí)，他們也可在需要的情況下定制代碼，以針對(duì)某種特別艱難的工作環(huán)境調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)方案。此外，TI 的 G3 實(shí)現(xiàn)方案還支持額外的增強(qiáng)性能，可進(jìn)一步改善工作在嚴(yán)酷或噪聲環(huán)境之應(yīng)用的穩(wěn)健性。例如：開發(fā)人員可以根據(jù)動(dòng)態(tài)變化的通道條件采用相干調(diào)制、較長的前置碼、穩(wěn)健型接收器算法 (Robust Receiver Algorithms) 以及自動(dòng)頻率檢測或音調(diào)掩蔽設(shè)置。

TI 的 G3 和 PRIME 軟件通過了標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟的認(rèn)證，使得開發(fā)人員能夠支持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)方面。另外，TI 還提供了諸如其 auto-REM PLC 軟件等專為電動(dòng)汽車 (EV) 而特別開發(fā)的專用實(shí)現(xiàn)方案。

TI 價(jià)值命題的一部分是其 PLC 軟件能在其 MCU 產(chǎn)品系列的器件上運(yùn)行。對(duì)于那些要求將 PLC 作為一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，PLC83 微控制器提供了一種集成的低成本方法。對(duì)于開發(fā)人員希望在同一個(gè)處理器上運(yùn)行應(yīng)用程序和 PLC 軟件的系統(tǒng)，C2000^TMConcerto^TM微控制器平臺(tái)可提供具有不同存儲(chǔ)器密度和處理能力的多種選項(xiàng)。另外，Concerto 處理器還具有支持 G3-FCC 的較高數(shù)據(jù)速率和處理要求的能力。而對(duì)于那些可使用 PLC-Lite^TM的低成本應(yīng)用，TI 則提供了其 C2000 Piccolo^TMF280x 處理器。

TI PLC 產(chǎn)品系列可支持多種 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的靈活性還使得 OEM 制造商能夠選擇最優(yōu)的處理器，然后在設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)橋接。我們以一間采用智能照明的工廠為例。照明燈本身可采用 PLC-Lite 進(jìn)行控制和監(jiān)視，以實(shí)現(xiàn)最低的單位成本。同時(shí)支持 PLC-lite 和 G3 的單個(gè)集中器可管理多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并采用 G3 將統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)送至一個(gè)中央聚合點(diǎn)以最大限度地提高穩(wěn)健性。最后，中央聚合器可實(shí)現(xiàn) G3-FCC 網(wǎng)絡(luò)與公用事業(yè)公司 PRIME 網(wǎng)絡(luò)的橋接。

加快基于PLC之應(yīng)用的開發(fā)

為了在開發(fā)人員對(duì) PLC 進(jìn)行初始評(píng)估時(shí)為其提供幫助，TI 推出了其配有 plcSUITE 和零配置 GUI 工具的 TMDSPLCKIT-V3 評(píng)估套件。這是一款功能強(qiáng)大的工具，可完成通道鏈路特性分析。在其零配置模式中，開發(fā)人員能夠在節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，而無須定義任何的配置參數(shù)。這大幅度地簡化了評(píng)估過程，尤其對(duì)于那些不太熟悉 PLC 實(shí)現(xiàn)方案細(xì)節(jié)的開發(fā)人員。

另外，該工具還通過支持一種專家模式起到了加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程的作用，在該模式中，開發(fā)人員可微調(diào)某個(gè)通道的配置以收集更多有關(guān)該通道的信息。這將提供有關(guān)某個(gè)通道之特性的重要信息，而這些信息是針對(duì)某一特定市場優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案所必需的（見下面的圖 2）。德州儀器采用相同的零配置 GUI 在世界范圍內(nèi)進(jìn)行客戶現(xiàn)場測試，但允許客戶獲取并使用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

圖 2：這款零配置工具使得開發(fā)人員能夠迅速改變某個(gè)通道的配置，以收集更多有關(guān)該通道的數(shù)據(jù)并針對(duì)某一特定市場優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案，從而可加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

雖然在歐洲禁止使用 FCC 頻段，但是預(yù)計(jì)對(duì)于許多國家來說支持 G3-FCC 還是相當(dāng)有益的。針對(duì)那些希望對(duì)采用 FCC 頻段之 G3 的性能進(jìn)行測試的開發(fā)人員，TI 可提供 F28M35x controlCARD。該插入式模塊可在許多 TI 開發(fā)板上對(duì)基于 FCC 的 G3 實(shí)施快速評(píng)估，包括 PLC Thumb。

通過在 PLC 標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展的情況下?lián)碛心壳翱捎玫挠布c軟件，OEM 制造商可以開始開發(fā)工作，并能在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成為正式標(biāo)準(zhǔn)之后迅速推出產(chǎn)品。要想在每一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)成為正式標(biāo)準(zhǔn)之后立即占據(jù)相應(yīng)的市場份額，跨越式啟動(dòng) PLC設(shè)計(jì)的能力是至關(guān)緊要的。

除了提供處理 PLC 信號(hào)所需的硬件、軟件和工具之外，TI 還提供了豐富齊全的模擬組件產(chǎn)品系列，以進(jìn)一步改善穩(wěn)健性。比如，AFE031 就被集成在 TI 的 PLC 解決方案中，并為開發(fā)人員提供了一個(gè)具有集成型功率放大器的模擬前端，其具有上佳的性能，并提升了總體系統(tǒng)可靠性、增加了覆蓋范圍。TI 承諾在其即將推出的器件中采用這同一種技術(shù)。

TI 致力于推進(jìn) PLC 的開發(fā)，并積極參與 G3 聯(lián)盟和 IEEE P1901.2 工作組的標(biāo)準(zhǔn)制定，事實(shí)上，德州儀器在 PRIME 和 G3 聯(lián)盟中擔(dān)任了大量的組長職位，并且是 P1901.2 的創(chuàng)始成員之一。另外，TI 還擁有一家位于德克薩斯州達(dá)拉斯的全球性 PLC 研發(fā)中心（其從事 PLC 軟件與硬件的改進(jìn)創(chuàng)新），并即將在法國開設(shè)一家 G3-PLC 能力中心。

業(yè)界領(lǐng)先的現(xiàn)場專門知識(shí)與創(chuàng)新

為了更好地了解在不同的國家和地區(qū)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中伴隨 PLC 而出現(xiàn)的問題，TI 在世界各地進(jìn)行了大量的 G3 現(xiàn)場測試（見下面的表 3），以測量不同的工作環(huán)境對(duì)信號(hào)性能和穩(wěn)健性的影響情況。

G3現(xiàn)場測試概要（2011～2012年）

表 3：TI 在世界各地進(jìn)行了大量的 G3 現(xiàn)場測試，以測量不同的工作環(huán)境對(duì)信號(hào)性能和穩(wěn)健性的影響情況?，F(xiàn)場測試涵蓋了各種各樣的工作環(huán)境、拓?fù)?、距離和測試時(shí)間，旨在證實(shí) G3 鏈路能夠在動(dòng)態(tài)變化的工作條件下實(shí)現(xiàn)通信。

現(xiàn)場測試涵蓋了種類繁多的工作環(huán)境和配置，從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)涞骄哂谐^ 30 個(gè)基于 G3 的節(jié)點(diǎn)的互連多跳網(wǎng)絡(luò)等均在其列。在整個(gè)測試過程中增加了節(jié)點(diǎn)之間的距離并變更了它們的位置，以測試技術(shù)的極限。另外，還在不同的時(shí)間以及線路上加有不同噪聲負(fù)載的情況下進(jìn)行了測試，旨在證實(shí) G3 鏈路能夠在動(dòng)態(tài)變化的工作條件下實(shí)現(xiàn)通信。

采用 PLC 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)健連接有哪些要求？通過該測試，TI 對(duì)此有了更好的認(rèn)識(shí)。在 P1901.2 標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，TI 不僅貢獻(xiàn)了自己較好地掌握了 PLC 通道特性的工程師，還將所了解的各種有用信息提供給了 IEEE。例如：TI 分享了其在用于改善通道穩(wěn)健性的子頻段技術(shù) (sub-banding technology) 方面的研究成果。

TI在住宅區(qū)域所做的現(xiàn)場測試

圖 3：德州儀器在世界各地進(jìn)行了現(xiàn)場測試，以檢驗(yàn)和評(píng)估各種不同的 PLC 技術(shù)在實(shí)際設(shè)置當(dāng)中的性能。這些測試為 TI 提供了有關(guān) PLC 技術(shù)的獨(dú)特知識(shí)。

子頻段技術(shù)運(yùn)用了 PLC 通道的頻率分集，以根據(jù)動(dòng)態(tài)變化的通道條件確定可使用的最佳子頻段。

另外，在針對(duì) PLC 的 P1901.2 通道模型的開發(fā)方面，TI 也做出了重大貢獻(xiàn)。開發(fā)人員要想創(chuàng)立可在多種工作條件下滿足特殊性質(zhì)的技術(shù)，通道模型的作用至關(guān)重要。例如：研究人員已經(jīng)開發(fā)了面向無線通信的詳盡而且完整的通道特性模型。這些模型使得業(yè)界作為一個(gè)整體能夠提供一致和可靠的無線產(chǎn)品。假如沒有此類模型，無線產(chǎn)品的性能、穩(wěn)健性和互操作性就將受到損害。TI 處在相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿，以獲得確保電力線通信的平穩(wěn)接納和過渡所需具備的 G3 PLC 認(rèn)識(shí)水平。

PLC 技術(shù)可在多種多樣的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)連接。對(duì)于那些希望充分利用此類市場中所蘊(yùn)藏之商機(jī)的 OEM 制造商而言，他們需要擁有一種靈活的解決方案以開發(fā)出能夠支持不同 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，從而適用于許多的國家和地區(qū)。

憑借其完全可編程的 PLC 實(shí)現(xiàn)方法，TI 提供了 OEM 制造商所期盼的利用一款基礎(chǔ)型 PLC 設(shè)計(jì)來滿足多種應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和市場之要求的靈活性。通過軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性對(duì)于適應(yīng)不同應(yīng)用所固有的噪聲條件的多樣性十分關(guān)鍵。另外，運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)方案還可使開發(fā)人員將其目前開發(fā)的 PLC IP 應(yīng)用于未來以及所有的產(chǎn)品線。

借助其可支持 PRIME、G3 以及諸如 PLC-Lite^TM等低成本替代標(biāo)準(zhǔn)的眾多處理器，TI 正在為把 PLC 引入許多新型市場奠定技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合其從現(xiàn)場獲得的直接經(jīng)驗(yàn)以及應(yīng)用專門知識(shí)，TI 還能提供開發(fā)人員所需要的硬件、軟件和工具，以滿足在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用 PLC 所面臨的千變?nèi)f化的要求。

作為 PLC 技術(shù)的領(lǐng)航者之一，TI 一如既往地積極發(fā)現(xiàn)和解決伴隨諸多 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的成熟而出現(xiàn)的問題。通過其先進(jìn)的現(xiàn)場測試，TI 獲得了有關(guān)在各個(gè)國家和地區(qū)應(yīng)用 PLC 技術(shù)之特殊要求的豐富知識(shí)。

通過其獨(dú)立的研究活動(dòng)以及與 IEEE 和 G3 聯(lián)盟的合作，TI 持續(xù)不斷地提升 PLC 技術(shù)的性能和穩(wěn)健性。TI 是一家全球性公司，具備應(yīng)對(duì)世界各地的技術(shù)變種并提供這些應(yīng)用即將需要的批量生產(chǎn)的能力。同時(shí)，在支持公用事業(yè)計(jì)量表以外的眾多應(yīng)用的能力方面，TI 也是獨(dú)一無二的。此外，它還是目前唯一一家可提供兼用于 G3 和 PRIME 標(biāo)準(zhǔn)的 DC 集中器軟件的公司。

影響G3性能與可靠性的問題

通過在世界各地進(jìn)行大量的現(xiàn)場測試，TI 發(fā)現(xiàn)了眾多會(huì)影響G3 信號(hào)性能和可靠性的問題，包括：

• 不對(duì)稱的通道性能：在相同的物理媒體上，上行鏈路與下行鏈路的運(yùn)行狀態(tài)有可能完全不同。例如：一個(gè)可傳送上行鏈路信號(hào)的頻率或許未必同樣適用于下行鏈路。

• 局部干擾：來自家中電氣設(shè)備的干擾會(huì)對(duì)信號(hào)性能產(chǎn)生顯著的影響。以日本為例，家中的熱水器引發(fā)了突出的噪聲問題，必需加以解決。
• 穿過變壓器：低壓變壓器上的耦合器產(chǎn)生了必須特別加以應(yīng)對(duì)的噪聲難題。
• 拓?fù)洌?電網(wǎng)至家庭"以及"家庭至家庭"的網(wǎng)絡(luò)連接必須考慮不同的通道特性。

更多詳情

通過下列方式查找更多有關(guān) TI 電力線通信 (PLC) 工具、軟件和技術(shù)的信息：

• TI 智能電網(wǎng)產(chǎn)品系列概要：www.ti.com/smartgrid
• 德州儀器 PLC 技術(shù)：www.ti.com/plc-lp
• TI 智能電網(wǎng)解決方案指南：www.ti.com/plc-wp
• TI PLC 視頻短片：www.ti.com/plc-wp-vid