電力線載波通信模塊設計

2004年4月A版

摘  要：給出兩總線通信模塊設計方案，重點介紹了通信模塊電力線接口和兩總線接口電路設計中所涉及的相關電路。

關鍵詞：電力線載波；兩總線；數(shù)據(jù)采集器

引言

　　智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(總線)實現(xiàn)互聯(lián)、互操，總線協(xié)議是系統(tǒng)的精髓所在。目前，國際上占主導地位的家庭網(wǎng)絡標準有：美國的X10 、消費總線(CEBus)、日本的家庭總線(HOME BUS)、歐洲的安裝總線(EIB)。

　　消費總線使用五種類型的介質(zhì)：電力線、無線、紅外線、雙絞線和同軸電纜，其中以電力線的應用最為廣泛。但是，目前我國的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構、居民住宅分布狀況等因素致使電力線載波通信難以實現(xiàn)預期的通信效果，為了減少電力載波信號之間的干擾，網(wǎng)絡系統(tǒng)應該盡量減少引入電力載波信號，因此，在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中用電力載波通信模塊實現(xiàn)家用電器與數(shù)據(jù)采集器間的數(shù)據(jù)交換。

　　電力載波通信模塊框圖如圖1所示。設計中采用AT89S52作為微控制器，電力線載波調(diào)制解調(diào)器采用專用芯片ST7536。AT89S52和ST7536之間采用通用串行通信接口，用I2C總線和串行EEPROM通信，EEPROM采用鐵電的24C02,此芯片具有無限次可擦寫功能。通過電力載波實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的通信，通過兩總線實現(xiàn)模塊與其它設備的通信。這樣，通信模塊就可以通過軟件及通信協(xié)議實現(xiàn)對多個實際設備通信與控制。所有的數(shù)據(jù)幀均采用CRC校驗。AT89S52和ST7536均采用外部硬件上電復位，同時使用AT89S52的內(nèi)部看門狗功能，對AT89S52和ST7536進行必要的復位，以防止系統(tǒng)死機造成網(wǎng)絡通信中斷。多路選擇開關采用CD4052，通過其進行電力載波和兩總線的選擇，以實現(xiàn)電力載波通信和兩總線通信的分時控制。

　　通信模塊電力線接口電路設計

　　國外很早對電力線載波通訊技術進行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美地區(qū)電網(wǎng)(480Y/277V，208Y/120Vac)的標準頻率范圍100KHz-450KHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標準頻率范圍9KHz-150KHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術，設計出各己的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設計，在國內(nèi)使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應用領域可勉強使用。本系統(tǒng)采用ST7536作為電力載波通信的調(diào)制解調(diào)器。

　　ST7536是STMicroelectronics公司專為電力線載波通訊而設計的modem芯片。它除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波通信領域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。ST7536調(diào)制解調(diào)技術是較落后的FSK方式，它最高波特率只能達到1200 bps。另外它無CSMA(網(wǎng)絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的實際情況，在電力線載波通信領域，ST7536是較適合的modem芯片。

　　從ST7536輸出的信號幅度小、驅動能力弱而且還有各種諧波，因此必須經(jīng)過放大和濾波，然后才能通過耦合電路將信號調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離，以防止高壓擊穿通信電路。同樣，從電力線來的載波信號又要由ST7536接收，而電力線上的干擾信號很不確定且非常復雜，所以需要一個帶通濾波器，通過67.2kHz ~87.5kHz之間的信號(本系統(tǒng)采用72kHz載頻)，經(jīng)過預放大后再送到ST7536的接收端。電路的框圖如圖2所示。

　　其中框圖左端包括來自ST7536的ATO和RAI及RX/TX, RX/TX是數(shù)字信號，控制收發(fā)轉換。ATO是ST7536的發(fā)送輸出，它和電力線接口的發(fā)送輸入相連。模擬發(fā)送輸出由自動等級控制輸入電路來調(diào)整。最大輸出電壓的峰-峰值是6.5V。RAI是ST7536的接收模擬輸入。它和電力線接口的接收輸出相連，最大輸入電壓的均方根值是2V。接收靈敏度的均方根值在信道1和信道2(600 baud)上是2mV；在信道3和信道4(1200 baud)上是3mV。本系統(tǒng)采用后者。

　　電力線發(fā)射與接收電路

　　電力線接口電路如圖3所示。

　　通過數(shù)字信號RX/TX控制三極管的開關狀態(tài)，給發(fā)射電路提供直流電源，當RX/TX 為高電平時，電路處于關狀態(tài)，當RX/TX為低電平時，電路處于通狀態(tài)，ST7536的ATO信號通過濾波放大后，被耦合到電力線上。這樣，只有當電路處于載波發(fā)射時，系統(tǒng)的功耗才達到極大值。

　　在發(fā)送模式下，電力線接口把來自ST7536芯片ATO的發(fā)送信號進行放大和濾波。緩沖區(qū)的作用是保護ST7536，并且驅動電力線接口中的下一個部件。低通濾波器(LPF)的作用是抑制諧波。濾波后的信號被送入功率放大器，功率放大器通過轉換器來驅動阻抗為1~100Ω的電力線。此外，放大器也進行頻段濾波，抑制發(fā)送信號的二次諧波。

　　在接收模式下，轉換器從電力線上取得信號，在預放大器中進行放大，再送給ST7536的接收輸入RAI。這種模式下，使RX/TX為高電平。

　　通過該電路可以在電力線上達到1200m~1500m的有效通信距離，如果再利用本系統(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)中繼功能更將加強電力線的實際通信距離。

　　耦合電路及其保護措施

　　圖3中RY1為壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，以防止高壓對電路的損害，耦合變壓器TR1實現(xiàn)高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高，遠遠大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號暢通無阻，而且能夠隔離高壓。電容C37阻斷低頻高壓，防止變壓器飽和；電阻R37取值比較大，作用是在離線時使電容放電，防止在設備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。D13是雙向穩(wěn)壓二極管，即瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面的電路被高壓擊穿。除了電力線上的高壓脈沖外，當設備剛接通電源時，可能會有約300伏的高壓直接加到耦合變壓器上，引起很大的電流，可達到幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管根本不可能消除這種脈沖。由于壓敏電阻的相應時間較緩慢，根本不能滿足電路的要求，但是，雙向穩(wěn)壓管卻可以達到要求。

　　兩總線接口電路的設計

　　兩總線接口電路如圖4所示。

　　本系統(tǒng)通過此電路可實現(xiàn)對多個設備的控制和信息獲得，它的帶載能力決定于另外一套總線發(fā)射接收電路，其有效傳輸距離約為1000m。由于它的通信線路只有兩根，因此在系統(tǒng)的接線上非常簡單方便。

　　從圖4可見：當TCON和RCON均為低電平時，總線既不接收也不發(fā)射。

　　當TCON為高電平，不管RCON為何種電平，總線都處于發(fā)射狀態(tài)，因為此時U7-11始終鎖定為高電平，U7-10為低電平，T2、T4截止，禁止接收；而U6-6為低電平，D5、D6截止，TXD2被傳遞到總線上。當TXD2為高電平時，T1、T6導通，T3截止，總線上為12伏電壓；當TXD2為低電平時，T1、T6截止，T3導通，總線上的電壓為0伏。

　　當TCON為低電平，而RCON為高電平時，總線處于接收狀態(tài)，此時T1、T3、T6截止，禁止發(fā)射；而T2、T4導通，連同T5就可使總線上的數(shù)字信號傳遞到RXD2上?？偩€上傳輸?shù)男盘柺且幌盗袛?shù)字信號，此信號的高電平為5V,低電平為0V。

　　實驗結果

　　通過控制ST7536的RX/TX控制引腳，使載波電路處于接收狀態(tài)，在火線和零線之間加72KHz、0.3V的正弦信號，用示波器觀測ST7536 24引腳的波形，正常應為72KHz、1.5