基于PLCi36的电力线扩频载波通讯电路的设计
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摘要:电力线载波通讯是一种低价方便、并可免除装设专用通讯线路的通信技术,文中介绍了利用调制解调器进行载波的扩频通讯技术,给出了由PLCi36芯片构成的电力线载波通讯电路在现实生活中的应用设计实例。
Abstract: The power line carrier communications is a kind of communication technology that is cheap and easy and don’t need to install special communication lines. This paper describes the spectrum communication technology using modem to spread carrier, and gives the design examples of applying the power line carrier-current communication circuit posed by the PLCi36 chip in real life.
关键词:电力线;载波;调制解调器;扩频通讯技术
Key words: power line;carrier;modem;spread spectrum communication technology
中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0085-03
0引言
电力线通信,简称PLC(Power Line Communication),是以电力网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比,能充分利用现有的电力线资源,即利用电力线进行通信,实现信息的传输。因而,电力线通信具有很好的开发前景和应用价值。
最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Internet网,它从简单的数据传输提高到了网络联接。法国已推出了电力线调制解调器集成电路,使住宅智能化产品向市场化方向进一步推进。电力线通信目前在欧洲(德国、英国、瑞典等)发展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规则的国家。中国电力系统已组建国电通信中心,并向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015年建成全国统一的联合电力网通信系统,其前景极其可观。
但是,低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道,有许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着220V/50Hz的电能,在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点,给低压电力线通信带来了很大的困难。因此,低压电力线通信必须首先解决以下两个难题:
1)电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰;同时,考虑到整个通信系统的安全,必须进行强电隔离;
2)低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗要高,以确保较高的载波信号加载效率。
上述问题,正是低压电力线通信的接口技术问题,下面从这两方面介绍其设计原理和实现方法。
1系统的总体组成及其原理
系统组成如图1所示。它以单片机PIC16FXX系列为控制核心,控制PLCi36网络接口控制器,实现具体的数据链路层功能包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换以及CRC的产生和校验等。单片机PIC16FXX先将命令和数据翻译过来提供给用户使用,并提供上层(包含应用层和网络层)的通讯协议。而PLCi36则提供低级数据链路层和物理层的网络服务。
PLCi36与主处理器的接口通过一个串口(TXD、RXD)完成通讯。PLCi36媒介接口和电力线耦合部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。模拟信号是通过信号入(SSCIN)和信号出(SSCOUT)脚在PLCi36与通讯媒介(交流电力线、双绞线等)之间进行传输的。在发送模式下,PLCi36的SSCOUT脚传输到输出放大回路上,再通过媒介耦合电路传输到媒介中去。在接收模式下,模拟通讯信号通过外部媒介耦合电路传输到输入滤波器,此带通滤波器可将频率为270kHz的信号传输到PLCi36的SSCIN脚。
2发送模式电路原理及测试分析
发送原理图(图2)中,由PLCi36内部产生的波形输出到SSCOUT管脚,波形如图3所示。此信号由R28、US6M2组成的保护电路,又经L3、C17和L1、C13组成的LC串并联电路进行滤波选频,中心频率为270KHz。滤波选频后信号(图4)经T2耦合到电力线上。由V10、R42、R41、R25、C2、C22组成的电路,是为了在15V电源被拉到6.5V时控制其输出电流,保证15V电源电压不至于被拉低到太低而致使整个系统无法正常工作。
3接收模式电路原理及测试分析
接收电路原理图(图5)中,首先从电力线上经过C11和T2滤波耦合进来的信号,波形如图6。经过L1、C13和L3、C17组成的LC串并联电路进行滤波选频,中心频率为270KHz。选频后的信号波形如图7。调制解调电路原理图(8)中,信号通过调制解调器3361进行高增益放大后鉴频调制,并经一级电压放大后由Pin9输出解调后的载频信号到滤波放大电路。经放大后的信号(图9)由Pin11送到PLCi36进行相关的信号处理。
4电力线耦合保护模块电路原理
耦合电路原理图(图10)中,电容C11滤除交流 50Hz信号,采用隔离变压器T2使电力线回路和通信单元安全隔离,并由电容 C11和隔离变压器的次级线圈电感 L 构成高通滤波器的功能。双向瞬压抑制器F1起到保护作用。
5软件设计
当系统启动时,程序完成初始化后便自动进入从电力线接收数据数据的状态,开始检测载波信号的有无及正确与否。如果检测到载波信号且正确,则系统进入载波接收中断程序,开始接收从电力线上传来的数据;如果一开始没有载波信号,则系统开始检测串口,判断串口是否有数据传送过来,若目前有串口数据则系统进入串口数据接收状态,确定串口数据接收完成后就马上进入载波发送中断程序,完成数据调制并发送。如果电力线及串口都无数据传送发生,则系统重新进入检测状态,重新开始检测电力线,进入新一轮循环。流程图如图11。为了避免串口同时处于接收与发送状态,造成数据冲突,程序中是以状态字的查询以及中断的设置来完成。
6PLCi36的应用
本文介绍的基于plci36的电力线扩频载波通讯的设计方案具有结构简单、成本低、工作方式灵活可靠、抗干扰能力强等特点。由于PLCi36采用扩频方式通信,因此在很多领域都可以推广和应用,如载波抄表(水、电、气表)、电网管理、家庭自动化(网络家电、家用电器控制)、智能大厦及楼宇控制、办公室间通信、火警及安全防范系统、计算机终端接口及载波电话等。
7注意事项
7.1 布线的考虑。对于PLCi36电源的旁路而言,必须与IC管脚尽可能靠近。且模拟信号地必须与模拟电源和数字信号地在物理上分开,而地线必须仅固定于一个管脚。
7.2 电力线载波传输限于同一个电力变压器供电范围内,各单片机节点最好均接到同一相线上,这样传输衰减小、传距远、传输效果也较好。如果要在不同相之间传输数据,则需要在相间跨接0.1μF耐压630V以上的电容,实现跨相传输,但传输效果可能差很多。
参考文献:
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