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陕西快乐十分走势图电子版下载:基于嵌入式系統的電力線載波通信接口設計

更新日期:2008-01-14  作者:  來源:光學精密機械網(www.uvcfk.com)收集整理

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來源:國外電子元器件  作者:洪家平 童強


摘要:電力線通信存在信號衰減快、線路阻抗經常波動等諸多問題,使得通過電力線通信有較大的困難,PL2000A型電力線擴頻載波通信專用電路能為此類問題提供較好的解決方案。介紹基于嵌入式系統和PL2000A的載波通信功能的應用接口,分析基于該電路的低壓電力線載波通信應用的設計原理,給出相應的電路圖和部分軟件代碼。
關鍵詞:HL2000A;低壓電力線;載波通信;嵌入式系統接口;調制解調器


l 概述
作為世界上最大的網絡,電力線網絡的主要功能是輸送電能。但是,隨著信息技術的發展,基于電力線路的通信成為近年的熱門話題。利用電力線來實現通信對于電力自動化系統設備之間的通信和現代電能計量管理將起重要作用,目前國內和國外都有一些成功的應用實例,現在應用較多的是基于電力線載波通信的自動抄表系統。另外,對電能數據的采集和傳輸、對電力設備的監控和?;?,以及電能的優化調度等也可以借助電力線通信來實現?;讜夭際醯牡緦ο?a href='//www.uvcfk.com/optic_article/5' target=_blank>通信已成為目前電力系統智能化通信的發展方向之一。



2 電力線載波通信的方式和特點
電力線載波通信是電力系統特有的通信方式,它是利用現有電力線,通過載波方式高速傳輸模擬或數字信號的技術。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸介質,因此具有信息傳輸穩定可靠、路由合理等特點,是惟一不需要線路投資的有線通信方式。
電力線通信是先將數據調制成載波信號或擴頻信號,然后通過耦合器耦合到220 V或其他交/直流電力線甚至是沒有電力的雙絞線上。電力線載波通信不僅提供了實用的新興通信手段,而且具有現有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優點,顯示出了良好的前景和巨大的市場潛力。
電力線通信的關鍵是如何保證在電力線上長距離可靠通信。在電力線上通信存在以下問題:電力線間歇性噪聲較大(某些電器的啟動、停止和運行都會產生較大的噪聲);信號衰減快;線路阻抗經常波動等等。這些問題使電力線通信非常困難。電力線載波通信的關鍵是功能強大的電力線載波專用電路。目前,采用PL2000A型電力線收發器(或調制解調器)等專用電路能提供較好的解決方案。


3 PL2000A簡介
PL2000A是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器,是PL2000型的升級產品。它由+5V單電源供電,用一種外部接口電路與電力線耦合。PL2000A除具備原有系統基本的通訊控制功能外,還內置5種常用功能電路:實時時鐘電路、32Bytes的SRAM、電壓監測器、看門狗定時器及復位電路,它們都通過標準的I2C接口與外部的微處理器相連,其中時鐘和32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3 V備用電池供電。PL2000A是特別針對我國電力網惡劣的信道環境所研制開發的低壓電力線載波通信電路,信噪比及數據傳輸性能比PL2000有大幅度的提高,同時數據傳輸速率提升了一倍(500 b/s)。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成、二相相移鍵控等新技術,還具有120 kHz的載頻,15 kHz的帶寬,0.5 mVrms(500 b/s)的接收靈敏度,15位偽碼長度和可編程同步捕獲門限的功能,以及大規模數字/模擬混合0.5μm CMOS工藝,所以抗干擾、抗衰減性價比等更加突出。


4 擴頻通信的原理
擴頻通信技術是利用與欲傳輸數據(信息)無關的碼對被傳輸的信號擴展頻譜,使之占有遠遠超過被傳送信息所必需的最小帶寬,在接收機中利用同一碼進行相關接收和恢復數據。從著名的Shnaon公式可知,在白噪聲干擾條件下,通信系統的信道容量可用下式表示:



其中,B為信道帶寬,S為信號平均功率,N為噪聲平均功率,若白噪聲功率譜密度為No,則



對于干擾環境下的典型情況,S/N<<1,應用冪級數展開,則可得:



這說明對于給定的信道容量而言,既可用增大信道帶寬同時相應降低信噪比的辦法達到,又可以用減小信道帶寬同時相應增大信噪比的辦法來實現,也就是說信道容量可以利用信道帶寬與信噪比的互換而保持不變。從理論上講,對于任意給定的信噪比,只要增加用于傳輸信息的帶寬,就可以增加在信道中無誤差傳輸的信息速率。


5 電力線載波通信系統的設計原理
采用PL2000A的低壓電力線載波通信系統的原理框圖如圖1所示。該系統配合單片機完成數據在電力線通信線路的擴頻發射和擴頻接收。通過單片機的串口及電平轉換,還可與PC上位機通信。從圖l可以看出,該通信系統的硬件主要有電源、RS-232接口部分、單片機處理部分、載波接口部分(如載波信號接收、載波信號發射和載波信號預處理等)、單片機復位等接口電路。



在圖l中,作為電力線通信系統核心的PL2000A完成載波信號的接收和解擴,當然還需由其他部件(如圖2中的MC3361)完成載波信號預處理;載波擴頻發射由單片機控制,通過PL2000A完成擴頻編碼處理,再通過后續推動電路完成擴頻載波信號的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式,由幀頭進行同步,常態為載波接收模式。單片機接口提供單片機的復位信號、看門狗信號及載波收發控制信號。PL2000A具有與51系列單片機兼容的高電平復位信號,由PL2000A的RST端輸出。PL2000A可為單片機提供看門狗功能,看門狗計數器清零輸入端為WDI。當WDI端持續436 ms以上無高低電平變化時,將導致看門狗計數器溢出,使PL2000A的RST輸出復位高電平。



6 載波通信系統的軟、硬件設計
6.1 硬件設計

由PL2000A組成的低壓電力線載波通信系統的硬件設計如圖2所示,二極管D3、D4、D5、D6和三極管G1、G2、G3、G4組成功率放大電路,該電路將PL2000A產生的載波調制信號進行功率放大后耦合到電力線上。D1、D2、D7、L2、Tl組成載波耦合接收電路。由功率放大電路放大后的信號波形富含諧波,為了減少對電網的諧波污染,需進行濾波整形。由電感器L1與電容器完成整形濾波后,再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上,雙向二極管D7起?;ぷ饔?。由MC3361對載波信號進行預處理后送到PL2000A的Sin端。
6.2 軟件設計
通信軟件設計包括單片機與PL2000A通過FC接口通信及PL2000A的載波信號接收和發射。單片機通過I2C接口從PL2000A讀多字節數據的過程如圖3所示,這個過程是主器件(單片機)讀取PL2000A內任意地址的寄存器內容,要完成這種方式的讀操作需要首先設置片內地址指針寄存器,這可通過將地址字節作為寫操作的一部分送給PL2000A來完成。發送了地址字節后,主器件在確認位后面立即產生起始位,用這種方式結束寫操作并開始另一次讀操作。主器件再次發出器件代碼,并使R/W位為“1”,PL2000A將發出確認位并隨后發送由上次地址寫操作設置的地址指針尋址的8位數據字節,然后主器件不確認傳遞(產生NACK),再產生停止位結束本次操作。



以下是單片機通過I2C接口從PL2000A讀多字節數據的部分代碼:




7 結束語
由于PL2000A采用擴頻方式通信,因此在很多領域都可以推廣和應用,如載波抄表(水,電,氣表)、電網管理、家庭自動化(網絡家電,家用電火警及安全防范系統、計算機終端接口及載波電話等。


 

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