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电力载波通信控制终端设计
更新时间:2019-12-18 发布:www.1024sj.com

电力线载波(PLC)通讯是指哄骗现有电力线,经由过程载波方式将模拟或数字旌旗灯号进行传输的技术。然而,以下错误谬误致使PLC的主要运用——“电力上网”未能年夜规模运用。
  配电变压器对电力载波旌旗灯号有阻隔作用;  三相电力线间有很年夜旌旗灯号损失(10~30dB);  分歧旌旗灯号耦合方式对电力载波旌旗灯号损失分歧;  电力线存在固有的脉冲干扰;  电力线对载波旌旗灯号造成高削减。  技术问题未来有可能被克服,可是从今朝国内宽带网建设的情况来看,留给PLC的时间和空间其实不余裕。家庭智能系统的研究给PLC带来了新的机遇。该系统以PC为焦点实现家电的智能控制。由于数据仅在家庭范围传输,束厄局促PLC运用的五年夜困扰将不复存在,远程对家电的控制我们也能经由过程传统网络先毗连到PC然后再控制家电方式实现。该系统中要求家电与PC经由过程电力线通讯终端毗连完成数据传输功能,该终端技术上要求能够在电力线情况下稳定传输数据,具有较强抗干扰能力。  本文所介绍的系统经由过程扩频通讯技术来克服干扰,采用SC1128设计电力载波通讯控制终端,载波频率为250kHz,带宽为100kHz,4周波调相,数据速度1kb/s,可实现低压电力线的通讯功能。  电力载波modem芯片的选择  国外较早对电力线载波通讯技术进行了研究,多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片。今朝市场上进步前辈的电力载波modem(调制/解调)芯片主要有Intellon公司的SSCP300芯片和Echelon公司的PLT-22芯片。其中SSCP300采用了扩频(Chirp方式)调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术和尺度的CEBus协议,可以称为智能modem芯片,体现了modem芯片的成长趋向。但SSCP300在国内电力线载波领域使用效果其实不理想。其主要缘由是该芯片是按北美地域的电网特征和频率尺度设计的。而PLT-22主要针对工业控制网而设计,采用BPSK调制解调技术和多种容错及纠错技术,所以今朝在我国运用效果理想。但它是Lonworks网络专用,而且价格太高,难以在平易近用市场年夜规模推行。  在该系统中我们选择由北京智源利和微电子技术有限公司设计开发的电力线载波调制芯片SC1128,该芯片专门针对中国低压电网特征而设计,是一款适合中国低压电网特征的数据传输专用芯片。该芯片采用CMOS技术设计的数模夹杂专用电路,运用进步前辈的扩频通讯技术和调制解调技术,是面向低压电力线低速度通讯市场需要的专用扩频modem芯片。相对前面介绍的两款芯片,SC1128价位较低,可觉得平易近用市场所接受。由于采用了直接序列扩频、数字旌旗灯号处置、直接数字频率合成等新技术,该芯片运用在电力线通讯方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。其电路内部集成了扩频器、DAC和ADC、输出驱动器、输进旌旗灯号放年夜器、工作电压检测器、看门狗电路、串/并接口电路,使得该芯片在多功能小型系统运用中可以下降系统的成本,提高系统的性能。其发射旌旗灯号以两种形式输出:一种是经DAC后从正弦缓冲器输出,谐波成份少;另外一种从高压开漏缓冲器输出。该芯片含有的输进旌旗灯号放年夜器可对输进旌旗灯号进行前置放年夜;内置看门狗电路监视系统法式的工作状态;内置电压监测器可监测电源电压的变化,并实时向系统发出报警旌旗灯号;内置电子表电路(24小时制)可知足分歧时间段计费率的要求(支持失落电工作);内置串行半双工同步传输通讯接口,利便与MCU之间的控制饬令和数据交换;采用63位扩频码,数据速度典型值为6.0kb/s(年夜20kb/s);捕捉门限值200~6290,由软件设定;内置64×8SRAM存储器(支持失落电工作),为系统提供数据暂存。  系统硬件设计  1系统硬件结构  本系统硬件结构主要包括电力线耦合部门、旌旗灯号接收电路部门、旌旗灯号发射电路部门、电力线旌旗灯号调制/解调部门、单片机控制部门及数字旌旗灯号接口部门(包括键控接口和串行通讯接口)。硬件结构框图和电路图如图1、图2所示。


图1电力载波通讯控制终端硬件结构框图


图2电力载波通讯控制终端硬件电路图


  2耦合电路部门设计

  耦合电路是载波旌旗灯号的输出和输进通路,并起隔离220V/50Hz工频的作用。该电路设计时需斟酌电力线路侧的阻抗特征,图2中T5为旌旗灯号耦合变压器,电力线路侧阻抗一般取3~30Ω。然后肯定线圈初度级的匝数比或阻抗比,本设计取12/21,后设计功率放年夜器的输出匹配电阻。输进通道接一个浪涌庇护二极管TVS,经电阻隔离后接二极管钳位电路输出给接收电路部门的前级滤波器。变压器T5实现了高压与低压的隔离。由于载波的频率比力高(100~400kHz),远远年夜于电网的频率,这样就使载波旌旗灯号通顺无阻,而能够隔绝距离高压。电容C8阻断低频高压,阻止变压器饱和;电阻R5取值可稍年夜些,本设计中取1MΩ,作用是在离线时使电容放电,避免在装备插头的两头泛起高压。TVS是瞬变抑制二极管,它可以有用地避免后面电路被高压击穿。D1、D2也是为避免高压击穿放年夜电路而设计的。电力线上的装备接进或是断开,都有可能引发尖峰脉冲,并致使收发电路的损坏。所以高压庇护措施是相当重要的。除电力线上会发生高压脉打破坏器件之外,当装备刚刚接上电源时,若是电力线恰好处于电压的年夜值,而此时电容上的电压为0,会有300V(220V有用值,年夜值311V)的高压直接加在变压器两头,引发很年夜的电流,从而在次级发生尖峰脉冲。这个脉冲的电流相当年夜,可达几十安培到上百安培,采用一般的稳压管没法消除这个脉冲。压敏电阻的响应比力缓慢,在泛起脉冲的1μs之内依然有几十伏的电源,足以烧坏放年夜电路。实验讲明,这类刚刚接进电路时的瞬态脉冲所发生的破坏力相当年夜。可是它的电流虽然很年夜,能量却不是很年夜。采用瞬变抑制二极管1.5KE6.8CA响应时间是5ns,能够吸收200A电流,瞬态功率可达1500W。可以简单地把它看做一个具有壮大吸收电流能力的稳压二极管,但它的动态电阻比力年夜,所以还需要D1和D2这两个肖特基二极管进一步把电压钳位在电源电压左右。

  3旌旗灯号接收部门电路设计

  旌旗灯号接收部门设计包括前级滤波器设计与增益放年夜器设计。滤波器为带通滤波器。其作用一方面将带外杂波滤除,另外一方面保证前后级之间的阻抗匹配,以到达顺遂传递旌旗灯号的目的。由于主晶振的工作频率分歧,载频也分歧;调制周波数和数据传输速度分歧,带宽也分歧。是以,滤波器的参数在主晶振频率分歧时也将有所变化的。这部门电路设计值与本终端顺应,数据速度1kb/s、四周波调制、250kHz载频,带宽为100kHz(200~300kHz)。这部门增益放年夜的目的是将滤波后的旌旗灯号不失真的放年夜75倍以上,以到达本级增益30dB以上的要求。需出格注重小旌旗灯号的不失真。

  4旌旗灯号发射电路部门设计

  旌旗灯号发射部门主要为功率放年夜电路设计。此级功率放年夜是将SC1128第24脚的高压开漏输出转换成功率输出。该脚输出时应接一个不小于1kΩ的上拉电阻,其灌进电流不要跨越4mA,并有不低于3V峰-峰的旌旗灯号电压输出。功率放年夜器自己工作在开关状态。由于正常地发射时间很短,所以在选择三极管参数时应当注重其功率参数(测试时应注重工作时间不能太长,以免损坏功率放年夜器的输出三极管,整板测试时可以串一个电阻,不外此时输出波形和功率将受影响)。

  5SC1128与微控制器接口

  系统微控制器采用W77E58,它是中国台湾的华帮电子公司(WinBond)推出的高速、高集成、增强型MCS-51系列高性能单片机,是一个快速、高性能、功能丰硕、高集成度的8位8051兼容微控制器,适合各类智能控制系统开发。SC1128的第28脚为电路二分主晶振输出(其峰-峰值约为4V),近似正弦波,该系统中主晶振为16MHz,且单片机晶振由28脚引进,即单片机晶振频率8MHz;32脚为电压监测端,该端需接5kΩ上拉电阻与5V电源相接;33脚为看门狗输进端,正常工作时应当在768ms内发生一次凹凸电位变化;34脚为看门狗输出端,与33脚配合,正常时输出低电平,否则输出1/3占空比的复位脉冲;35脚为电源报警输出端,与32脚电源监测输进端配合使用,当电源监测输进端监测到的电源旌旗灯号低于监测值时,输出为低电平。当电源监测输进端监测到的电源旌旗灯号高于监测值时,输出为高电平;36脚为收发控制端,0为接收,1为发射;37脚在发射和接受同步后发生同步脉冲旌旗灯号,频率随工作主时钟和周波的变化而变化;38脚发送和接收数据;39脚为设置数据及状态的输进输出端;40脚为同步设置时钟输进端,使SC1128芯片与单片机旌旗灯号同步;41脚为片选输进端,低电平芯片使能,为保证芯片正常工作,在设计中将其接5.1kΩ上拉电阻。数据收发流程以下:发射状态时,单片机将SR端(36脚)置高,SCl128芯片发出同步头(37脚),单片机经由过程TX端(38脚)同步发送数据;接收状态时,单片机将SR端(36脚)置低,SCl128芯片若接收到数据,则发生同步头,经由过程TX端(38脚)将数据同步发送到单片机。SC1128与W77E58的毗连如图3所示。


图3SC1128与W77E58毗连图


  软件结构及SC1128芯片参数设置

  该系统软件流程如图4所示,其中对SC1128芯片参数设置是法式关头部门,直接决议系统通讯的旌旗灯号收发进程及通讯速度。

图4软件流程图

  微控制器对SC1128芯片的设置是经由过程该芯片CS端(设置片选输进端)、SETCLK(同步设置时钟输进端)和LINE(设置数据及状态的输进/输出端)三端进行的。芯片设置(读或写)采用统一的数据花式,即每次读或写都是由2字节(控制字和数据位)完成的,其花式说明如图5所示。

图5SC1128芯片设置数据花式

  单片机对电路设置(读或写)时要向电路的CS端给出低电平,再由SETCLK端向电路发出同步脉冲,在同步脉冲的控制下首先向LINE端串行给出8位控制字,即先由高到底划分给出6位(A5~A0)地址,再给出读/写控制位(第七位)和空操作位(第八位);然后再给出8位数据。出格要注重的是LINE端为双向端口,当MCU给出的8位控制字中的第七位(读/写控制位)为0(读操作)时,电路将在SETCLK的第七个脉冲的下降沿把LINE端由输进状态变为输出状态,是以MCU在对电路进行读操作时一定要在SETCLK的第七个脉冲的下降沿之前将MCU真个输出(与电路的LINE相对应的端子)状态改成输进状态。

  由于控制字的地址A5~A0只有6位,是以可寻址范围是64。SC1128芯片电路内部现实上只有60X8位SRAM,其地址范围000000~111011。另4字节划分是保留寄存器、工作状态寄存器、内部电子表的低8位和高8位。对电路内部60X8位SRAM的读写操作一样是依照图5的花式先给出地址再给出读或写操作位和空操作,后给出写进SRAM的数据或读出SRAM内的数据。SRAM支持失落电工作方式,若系统泛起失落电情况则在芯片VDDT电源真个维持下可以连结SRAM内的数据不丢失。是以可为小型运用系统提供数据暂存,避免系统意外失落电而丢失一些关头数据。其中地址为111101工作状态寄存器的每位划分控制着电路分歧的工作状态,具体魄式如图6所示。
图6工作状态寄存器数据花式

  对工作状态寄存器的设置可以获得多种工作状态。如通讯速度快慢和捕捉门限的年夜小。工作状态寄存器的S1和S0是控制通讯速度快慢的,由这两位可以选择分歧通讯速度值。工作状态寄存器的D4~D0是控制捕捉门限设置值的。在使用中可凭据通讯情况的现实情况来选择分歧的捕捉门限值以到达比力好的通讯效果。在设置捕捉门限值时要出格注重与通讯速度值的配合,否则将由于设置的捕捉门限值过年夜而泛起没法同步的成效。

  通讯测试

  现实通讯测试系统包括一对结构完全不异的旌旗灯号发送板和旌旗灯号接收板,经由过程220V低压电力线相连,两板毗连时零线与零线接,前方与前方接。发送板经由过程板上按键开关或串行口发送分歧控制数据,控制接收板LED显示分歧数据或经由过程串口读出所发送数据。经实验室检测该系统能够实现准确的通讯功能。在现实运用中要注重发收双方的通讯速度一致,即周波数要一致,另外门限值只对接收一方有意义,门限值的凹凸将影响到通讯的误码率,但并非是门限越高就一定越好。要根椐通讯情况和响应的速度适被选择。
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