電力線載波通信模塊設(shè)計(jì)

2004年4月A版

摘  要：給出兩總線通信模塊設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了通信模塊電力線接口和兩總線接口電路設(shè)計(jì)中所涉及的相關(guān)電路。

關(guān)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(luò)(總線)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操，總線協(xié)議是系統(tǒng)的精髓所在。目前，國(guó)際上占主導(dǎo)地位的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)的X10 、消費(fèi)總線(CEBus)、日本的家庭總線(HOME BUS)、歐洲的安裝總線(EIB)。

　　消費(fèi)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(yīng)用最為廣泛。但是，目前我國(guó)的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布狀況等因素致使電力線載波通信難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的通信效果，為了減少電力載波信號(hào)之間的干擾，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)該盡量減少引入電力載波信號(hào)，因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用電力載波通信模塊實(shí)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，通過兩總線實(shí)現(xiàn)模塊與其它設(shè)備的通信。這樣，通信模塊就可以通過軟件及通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)實(shí)際設(shè)備通信與控制。所有的數(shù)據(jù)幀均采用CRC校驗(yàn)。AT89S52和ST7536均采用外部硬件上電復(fù)位，同時(shí)使用AT89S52的內(nèi)部看門狗功能，對(duì)AT89S52和ST7536進(jìn)行必要的復(fù)位，以防止系統(tǒng)死機(jī)造成網(wǎng)絡(luò)通信中斷。多路選擇開關(guān)采用CD4052，通過其進(jìn)行電力載波和兩總線的選擇，以實(shí)現(xiàn)電力載波通信和兩總線通信的分時(shí)控制。

　　通信模塊電力線接口電路設(shè)計(jì)

　　國(guó)外很早對(duì)電力線載波通訊技術(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。目前有針對(duì)北美地區(qū)電網(wǎng)(480Y/277V，208Y/120Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100KHz-450KHz和針對(duì)歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9KHz-150KHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計(jì)出各己的電力線載波modem芯片。由于國(guó)外電力線載波modem芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，在國(guó)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(yīng)用領(lǐng)域可勉強(qiáng)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(shè)計(jì)的modem芯片。它除有一般modem芯片的信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能外，還針對(duì)電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號(hào)處理手段。目前，在國(guó)內(nèi)電力線載波通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)用水平不同。ST7536調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的FSK方式，它最高波特率只能達(dá)到1200 bps。另外它無CSMA(網(wǎng)絡(luò)載波偵聽)功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際情況，在電力線載波通信領(lǐng)域，ST7536是較適合的modem芯片。

　　從ST7536輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)又要由ST7536接收，而電力線上的干擾信號(hào)很不確定且非常復(fù)雜，所以需要一個(gè)帶通濾波器，通過67.2kHz ~87.5kHz之間的信號(hào)(本系統(tǒng)采用72kHz載頻)，經(jīng)過預(yù)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(hào)，控制收發(fā)轉(zhuǎn)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(dòng)等級(jí)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(hào)RX/TX控制三極管的開關(guān)狀態(tài)，給發(fā)射電路提供直流電源，當(dāng)RX/TX 為高電平時(shí)，電路處于關(guān)狀態(tài)，當(dāng)RX/TX為低電平時(shí)，電路處于通狀態(tài)，ST7536的ATO信號(hào)通過濾波放大后，被耦合到電力線上。這樣，只有當(dāng)電路處于載波發(fā)射時(shí)，系統(tǒng)的功耗才達(dá)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(hào)進(jìn)行放大和濾波。緩沖區(qū)的作用是保護(hù)ST7536，并且驅(qū)動(dòng)電力線接口中的下一個(gè)部件。低通濾波器(LPF)的作用是抑制諧波。濾波后的信號(hào)被送入功率放大器，功率放大器通過轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)阻抗為1~100Ω的電力線。此外，放大器也進(jìn)行頻段濾波，抑制發(fā)送信號(hào)的二次諧波。

　　在接收模式下，轉(zhuǎn)換器從電力線上取得信號(hào)，在預(yù)放大器中進(jìn)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(dá)到1200m~1500m的有效通信距離，如果再利用本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中繼功能更將加強(qiáng)電力線的實(shí)際通信距離。

　　耦合電路及其保護(hù)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(duì)電路的損害，耦合變壓器TR1實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號(hào)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(shí)使電容放電，防止在設(shè)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(dāng)設(shè)備剛接通電源時(shí)，可能會(huì)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(dá)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(yīng)時(shí)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(dá)到要求。

　　兩總線接口電路的設(shè)計(jì)

　　兩總線接口電路如圖4所示。

　　本系統(tǒng)通過此電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)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(jiǎn)單方便。

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

　　當(dāng)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?yàn)榇藭r(shí)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(dāng)TXD2為高電平時(shí)，T1、T6導(dǎo)通，T3截止，總線上為12伏電壓；當(dāng)TXD2為低電平時(shí)，T1、T6截止，T3導(dǎo)通，總線上的電壓為0伏。

　　當(dāng)TCON為低電平，而RCON為高電平時(shí)，總線處于接收狀態(tài)，此時(shí)T1、T3、T6截止，禁止發(fā)射；而T2、T4導(dǎo)通，連同T5就可使總線上的數(shù)字信號(hào)傳遞到RXD2上?？偩€上傳輸?shù)男盘?hào)是一系列數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)的高電平為5V,低電平為0V。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)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(hào)，用示波器觀測(cè)ST7536 24引腳的波形，正常應(yīng)為72KHz、1.5