基于INT51X1的高速數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)

2004年10月A版
摘要： 給出了采用INT51X1芯片設(shè)計(jì)低壓電力線高速數(shù)據(jù)傳送模塊的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞： INT51X1；低壓電力線；高速數(shù)據(jù)通信

引言
隨著Internet的飛速發(fā)展，利用電力線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信由于其接入成本低，覆蓋范圍廣、不用重新布線等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的歡迎。目前世界很多廠商都推出了電力線通信專用芯片，其中Intellon公司的INT51X1芯片集成了10bit ADC、DAC和AGC控制；介質(zhì)訪問(wèn)子層采用了載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突防止(CSMA/CA)技術(shù)；支持56bit加密技術(shù)。INT51X1芯片采用了先進(jìn)的OFDM技術(shù)，能夠提供14Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，只需采用簡(jiǎn)單的外圍電路就可以設(shè)計(jì)出可靠、高效的低壓電力線高速數(shù)據(jù)通信模塊。
INT51X1芯片提供了三種獨(dú)立接口：USB接口，媒體獨(dú)立接口(MII)/通用串行接口(GPSI)和MII 主機(jī)/數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)。通過(guò)外部的不同配置，可以形成不同的應(yīng)用實(shí)例。

圖1  直流供電電路(5V/3.3V/1.8V/1.5V)

圖2  耦合電路

選用INT51X1芯片的USB接口，設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)器：
數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口進(jìn)入U(xiǎn)SB主控單元。在其控制管理下，數(shù)據(jù)被送往核心部件INT51X1收發(fā)器，在此完成數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。在模擬信號(hào)處理模塊中完成對(duì)信號(hào)的雜波處理和傳送的流量控制。此后信號(hào)通過(guò)耦合電路加載到電力線上進(jìn)行傳送。
數(shù)據(jù)接收時(shí)從電力線上經(jīng)過(guò)耦合電路提取進(jìn)來(lái)的信號(hào)，首先需在模擬前端中進(jìn)行濾波、放大等一系列的處理，再進(jìn)入核心部件進(jìn)行對(duì)應(yīng)的解調(diào)解碼，最終由USB接口讀入到數(shù)據(jù)終端。

高速數(shù)據(jù)傳送模塊電路設(shè)計(jì)
高速數(shù)據(jù)傳送模塊電路大致分為以下幾個(gè)部分：
電源電路
由于整個(gè)模塊中所用芯片需要使用多種電源，所以要設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同電壓的直流電源。整個(gè)模塊的供電來(lái)源于USB接口。從USB接口獲得的+5V電源經(jīng)過(guò)AS1117_3.3調(diào)整得到3.3V電源，經(jīng)過(guò)AS1117_ADJ分別產(chǎn)生1.8V和1.5V(圖1)。
耦合電路
由于數(shù)據(jù)信號(hào)是通過(guò)電力線傳送的，所以要從電力線中將數(shù)據(jù)信號(hào)提取出來(lái)。這就要求50Hz的工頻信號(hào)不能給數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)帶來(lái)太大的干擾，同時(shí)要保證系統(tǒng)的安全，所以必須進(jìn)行強(qiáng)電隔離。又要求低壓電力線上并接的所有電器的"統(tǒng)計(jì)載波阻抗"要高，以確保較高的載波信號(hào)加載率。因此采用復(fù)合耦合技術(shù)來(lái)完成耦合電路的設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)。

圖3  模擬處理前端設(shè)計(jì)框圖

圖4  系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路
模擬信號(hào)處理
模擬信號(hào)處理模塊最主要的任務(wù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行雜波抑制和流量控制，功能框圖如圖3。
當(dāng)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)終端傳送進(jìn)來(lái)后，首先進(jìn)行發(fā)送濾波，然后進(jìn)行線路激勵(lì)以適應(yīng)此后的長(zhǎng)距離傳輸、保證信號(hào)質(zhì)量，最后通過(guò)雙向的收發(fā)器傳送到耦合電路。
當(dāng)數(shù)據(jù)從耦合電路進(jìn)來(lái)，首先進(jìn)入到接收濾波器，然后根據(jù)信號(hào)的情況發(fā)出自動(dòng)增益控制的指令，此后信號(hào)送出模擬信號(hào)處理模塊。
配置電路
外圍的配置電路包括EEPROM的配置，工作指示燈的設(shè)置等。
EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)各模塊單元的初始化配置指令和控制字，設(shè)備的MAC地址和DES密鑰也寫(xiě)入EEPROM中。
工作指示燈共設(shè)置三個(gè)，分別指示鏈路連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)和鏈路擁塞狀態(tài)。當(dāng)通信鏈路物理連接正確時(shí)，鏈路連接狀態(tài)指示燈亮；當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路建立起來(lái)并有數(shù)據(jù)正常傳送時(shí)，數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)指示燈亮；當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路中發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞和數(shù)據(jù)擁塞時(shí)，鏈路擁塞狀態(tài)指示燈亮、報(bào)錯(cuò)。
系統(tǒng)時(shí)鐘是由晶體電路提供(圖4)。

PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題
由于本電路工作頻率涉及到基帶和射頻，電壓包括220V、3.3V等多種，為了減少信號(hào)間的干擾，增加電路工作的穩(wěn)定性，在PCB板的制作過(guò)程中采取了如下措施：

結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)用INT51X1芯片，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)低壓電力線高速數(shù)據(jù)通信。利用該通信模塊已經(jīng)成功的建立了基于電力線的局域網(wǎng)，傳輸速率可達(dá)10Mbps。接入Internet,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)游戲、IP電話等服務(wù)。在線觀看.rm視頻文件，畫(huà)面流暢，聲音清晰，可以正常觀看。由此可見(jiàn)，該模塊能夠滿足網(wǎng)絡(luò)中視頻音頻的傳輸要求。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)分析，物理層以建筑中的民用電力線為通信媒質(zhì)，采用了OFDM的調(diào)制技術(shù)；MAC層采用的CSMA/CA方式，提高了通信信道的利用率，提供了可靠的QoS保證。