【正文】 一種電力線 收發(fā)器電路設(shè)計(jì) 摘 要： 本文介紹了 ST7540 芯片在電力線載波通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)上的優(yōu)良特性以及它內(nèi)部的構(gòu)造和工作原理，對(duì)電力線載波通信系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的解釋，并提出具體方案。s Power Line Communication, powerline working is a huge, all over the country work. This makes the power line carrier munication have a strong petitive edge in the market and is widely quoted in various fields of industrial data acquisition. Keywords: Lowvoltage power line carrier。 ST7540 是支持多種 FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)通信 協(xié)議的一種新型的電力線載波通信芯片，它適用于中國(guó)惡劣的電力線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在我國(guó)的電力線信號(hào)傳輸領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)。到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用到相當(dāng)于葛 滬177。而已這些通信形式為基礎(chǔ)的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)已基本達(dá)到對(duì)全國(guó)各個(gè)角落的覆蓋。在實(shí)際應(yīng)用中，不論是 500KV 的高壓線路，還是在 35KV— 10KV 區(qū)間上的相對(duì)較低的線路上，都開通了電力線載波機(jī)。自本世紀(jì)中葉，載波機(jī)的技術(shù)在隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高被不斷的改進(jìn)。隨著我國(guó)電力網(wǎng)的拓展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，一些大的機(jī)組、電站的出現(xiàn)使得電力線載波通信的問題也逐漸的被凸顯出來。 顯而易見，電力線載波通信技術(shù)已經(jīng)在電力網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而造成這種情況的原因是有很多方面的，如技術(shù)仍不夠成熟，設(shè)備制造不夠精細(xì)，工程設(shè)計(jì)施工出現(xiàn)問題等等等的一系列問題。而我們有時(shí)對(duì)頻率沒有好好的規(guī)劃使得在這個(gè)頻率區(qū)間的安排和使用過程中有很多做的不好的地方，造成了頻譜的緊張或者浪費(fèi)帶來了很多不利的影響。不得不承認(rèn)，目前國(guó)內(nèi)的載波機(jī)的技術(shù)，設(shè)備的工藝，軟件的支持身上和國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備還存在著非 常大的差距，不論是在頻率利用率上、濾波器性能上、乃至載波器頻率特性等等的多個(gè)方面都難以達(dá)到國(guó)外先進(jìn)載波機(jī)的現(xiàn)有水平?，F(xiàn)階段，我們應(yīng)該看清國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的不足之處和改進(jìn)的空間 ，借鑒進(jìn)口產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，完善國(guó)內(nèi)的電力線載波技術(shù)，滿足現(xiàn)代電力線信號(hào)傳輸系統(tǒng)的需求，更好的適應(yīng)全球性通信的發(fā)展趨勢(shì)。它在電力生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的作用，特別是對(duì)臺(tái)風(fēng)，洪澇災(zāi)害有著抵御能力。與其他的通信技術(shù)一樣，電力線載波通信也在不斷的發(fā)展也完善。在我國(guó)，電力網(wǎng)是最大的硬件網(wǎng)絡(luò)，有很大的覆蓋范圍，因此，如果能合理的開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，將會(huì)給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 高壓電力線載波通信的特征 傳輸頻帶 受到限制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小 在現(xiàn)如今通信技術(shù)日益發(fā)達(dá)的時(shí)代，由于在高壓電力線載波通信時(shí)，載波通信頻帶通常被控制在 40~500KHZ 之間，如果按單位位置上占用 4KHZ 的帶寬來計(jì)算的話。甚至為了盡量能使載波頻率得到重復(fù)使用，但仍然沒能解決信道分配的問題，未能滿足實(shí)際需要。比如說，在高壓電力線 上會(huì)產(chǎn)生放電電暈絕緣子，這些絕緣子會(huì)對(duì)載波信號(hào)造成污染，二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 35 頁(yè) 還有開關(guān)操作等都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，比較突出的是突發(fā)噪聲，它具有比較高的電壓， 見圖 21： 圖 21 水平排列電力線通道雜音波形 電力線上產(chǎn)生的造成按他們的特性分類有 4種： a)電暈噪聲噪聲 是具有平滑功率譜的一種背景噪聲，它的功率譜函數(shù)局限即頻率的減函數(shù)。然而在海拔比較高的地區(qū)，出現(xiàn)在絕緣設(shè)備以及升壓線路上的噪聲的電平還相對(duì)于沿海地區(qū)還將高出 15dB左右。對(duì)通道加工的不合理，存在容性的負(fù)載等問題會(huì)加劇載波通道的阻抗變化，實(shí)際檢測(cè)表明當(dāng)波幅達(dá)到 50%時(shí)，對(duì)線上的載波通道的影響會(huì)比較嚴(yán)重，再由于對(duì)信道加工上的不當(dāng)，不合理，以及容性負(fù)載和接法不當(dāng)?shù)鹊纫恍﹩栴}都會(huì)加劇信道的阻抗的變化。為了解決這些問題，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一般會(huì)采用一些特殊的通信協(xié)議，或者設(shè)置多條通道讓載波機(jī)自行選擇。而首先要解決的基礎(chǔ)的技術(shù)問題就是如何實(shí)現(xiàn)電力線載波在一些中低壓線路上的應(yīng)用。如果要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同變壓器之間的載波傳輸。 輸入阻抗及其變化 輸入阻抗是重要的表示電力線傳輸?shù)膮?shù)之一。 然而實(shí)際情況中，電力線上分布的電感和電容影響了電力線阻抗的分布，并且輸入阻抗還隨頻率的變化而變化（成反比）。而且 ,在實(shí)驗(yàn)用測(cè)試的頻率范圍，輸入阻抗的頻率變化與阻抗的變化也并不滿足線性關(guān)系，有時(shí)甚至?xí)∏《阋欢帽究飘厴I(yè)論文 第 7 頁(yè) 共 35 頁(yè) 相反。把這些阻抗谷區(qū)結(jié)合起來，局部上會(huì)違背電力線上阻抗 — 負(fù)載的一般規(guī)律。因此給電路的設(shè)計(jì)帶來的很大的阻礙。這使得高頻信號(hào)在低壓電力箱上傳輸時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生衰減，而這種衰減的強(qiáng)度決定于信號(hào)傳輸距離和載波頻率。所以在不同相上所接受到的信號(hào)的誤碼率也會(huì)不同。另一種干擾是指由于自然環(huán)境的影響，比如打雷天氣，也會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成影響，所以電力線上的干擾不單單只人為是高斯白噪聲了。當(dāng)存在高斯白噪聲干擾時(shí)，最大信道容量為： C=Wlog2(1+S/P)，當(dāng)信號(hào)容量 C（ bit/s）等于常數(shù)時(shí)，可以增加信道的帶寬來降低載波心痛對(duì)信噪比 (S/P)，其中 S 為信號(hào)的平均功率， P 為噪聲功率。這是在一些惡劣的自然環(huán)境下，為了保證信號(hào)仍然可以穩(wěn)定的傳輸所采用的擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)脑颉ｎl譜的主瓣帶寬是調(diào)制碼的時(shí)鐘速率的 2 倍，旁瓣帶寬即調(diào)制碼的時(shí)鐘速率。 原理圖如圖 25 所示 [3]。跳頻信號(hào)帶寬與 頻率間隙之間滿足下面的關(guān)系： Q=W*N，其中 Q表示跳頻信號(hào)帶寬， W表示傳輸頻率的間隙， N表示跳變信道的帶寬。芯片內(nèi)部的數(shù)字電路的電源為 5V 和 兩種，由單一電壓源提供工作電壓，繼承了電路驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓器，具有低功耗的特點(diǎn)。 接受和傳送模式 接收模 式 當(dāng) ST7540 芯片處在接收狀態(tài)的時(shí)候，控制端口 RXTX=” 1”并且 REG_DATA=”0”。整個(gè)過程共進(jìn)行了三次濾波，為的是更好的減小噪聲的干擾。芯片內(nèi)由開關(guān)控制可選擇有兩種信號(hào)的發(fā)送有兩種傳輸模式： 二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 32 發(fā)送路徑圖 同步傳輸，在 CLR/T的時(shí)鐘信號(hào)處于上升沿時(shí)， TXD端口讀入數(shù)據(jù)送至 FSK調(diào)制器，與此同時(shí)芯片內(nèi)部根據(jù)波特率發(fā)送時(shí)序控制。它采用單電源（ ~）供電，電流可以達(dá)到 50mA,內(nèi)部還集成了驅(qū)動(dòng)器和電源控二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 13 頁(yè) 共 35 頁(yè) 制器。內(nèi)部集成濾波電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次濾波，最大限度的排除了噪聲的干擾。使它的接受靈敏度可以達(dá)到 ； ST7540在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，對(duì)溫度太高有監(jiān)控功能：增加的一個(gè) UART端口，集成了一個(gè) 48bit s的可編程控制寄存器。 必須先對(duì) ST7540芯片中的控制寄存器和芯片內(nèi)的載波頻率，波特率等等的一些性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，才可以使用 ST7540執(zhí)行發(fā)送和接收操作。當(dāng)引腳 RXTX等于“ 1”、 REG_DATA等于“ 0”時(shí)，芯片處于接受狀態(tài)， RX_IN端口將從電力線上接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波操作，再經(jīng)過 FSK解調(diào)操作，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再?gòu)?RXD端口把信號(hào)發(fā)送到主機(jī) [5]。當(dāng) st7540是在傳輸模式時(shí)鐘的參考是內(nèi)部產(chǎn)生的和 TxD 路線是在 CLR /T線上升沿被采樣 。處于接收狀態(tài)時(shí)，它也同樣可以把從電力線上接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、解調(diào)再傳送給主機(jī)。利用單片機(jī)和 REG_DATA RxTx 數(shù)據(jù)傳送 0 0 數(shù)據(jù)接收 0 1 控制寄存器讀數(shù) 1 1 控制寄存器寫入 1 0 二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 15 頁(yè) 共 35 頁(yè) ST7540 芯片組成的基本電力線載波通信模塊如圖 35 通過 UATR 接口， ST7540從電力線上接收模擬信號(hào)，再通過芯片內(nèi) FSK 調(diào)制解調(diào)模塊把接收到的模擬信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)再發(fā)送給單片機(jī)。 基于 ST7540的載波通信系統(tǒng)電路 電力線載波通信的節(jié)點(diǎn)電路包括載波、微處理機(jī)、載波信號(hào)過濾、電力線信號(hào)耦合以及電路保護(hù)這幾個(gè)部分。該電路的品質(zhì)因素以中心頻率 的函數(shù)表達(dá)式如下： 由于在串聯(lián)電路中，電感的直流阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻的阻抗，于是，對(duì)中心頻率的表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得： 圖 41 輸入濾波電路 由表達(dá)式（ 2） 可得知，濾波電路的品質(zhì)因數(shù) Q 取決于 R1 和 L1 的阻抗值， L 的阻值越大共振頻率輸出的波形就越平緩，選頻特性隨著 R1 的值變大而越來越好?；谒梢栽诎l(fā)送端設(shè)置一個(gè)三階的有源濾波電路， 組成的低通濾波電路和一個(gè)二階的 SallenKEY。圖 43所示的是一種串聯(lián)諧振電路，由電容C電感 L線性變壓器以及解耦電容 達(dá)式如下： 如圖所示的是一個(gè)串聯(lián)諧振電路： 二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 18 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 43 串聯(lián)諧振電路 應(yīng)當(dāng)提出的是：在設(shè)計(jì)該電路時(shí)應(yīng)注意如下幾個(gè)方面： （ 1）首先要選擇合適的電感 L2，從而確保飽和電流（大于 1A）并且其等效阻抗要小于 ，這樣設(shè)置是為了最大限度的減少信號(hào)的失真和電能的損耗。 （ 4）作為耦合電路的性能的一個(gè)核心參數(shù)，當(dāng)變壓器漏感值在 10— 50uH區(qū)間時(shí)，可以省略電路中的兩個(gè)電感。 有兩種電平控制電路： （ 1）電壓控制 電壓控制回路是為了保持峰縫的電壓值保持在 Vsense上。 如果 VsenseTH VsenseHYST Vsense VsenseTH + VsenseHYST 則不發(fā)生變化 如果 VsenseVsenseTH + VsenseHYST 則得到電壓值的降低一個(gè)單位。輸出的電流限制值是通過一個(gè)連在 VCL和 VSS之間的一個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)的。操作時(shí)，可以很簡(jiǎn)單的選擇一個(gè)適合的方式來過濾 TX_OUT上的信號(hào)。當(dāng)芯片處于接受狀態(tài)時(shí)，信號(hào)從PAOUT輸出，經(jīng)過輸出濾波電路和電力線耦合電路輸送到電力線上。主機(jī)和 ST7540之間的通信方式有兩種：同步模式和異步模式。芯片進(jìn)入空閑狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)送模塊的電路后經(jīng)過一個(gè)周期的時(shí)間后，開始從 RXD端口接受數(shù)據(jù)。時(shí)鐘信號(hào)處在上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)在 RXD口處于靜止?fàn)顟B(tài)。 如果 RxTx =0及 REG DATA =1時(shí)，為數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，芯片進(jìn)入空閑狀態(tài)并且關(guān)閉傳送回路在經(jīng)過時(shí)間后機(jī)器開始傳輸在 TxD 線上的數(shù)據(jù)。一級(jí)控制終端和主站之間是通過GPRS 無線技術(shù)傳輸信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)中的一級(jí)終端對(duì)載波信號(hào)的控制，需要軟件的支持。初始化 T1為定時(shí)器方式，模式 2 SET EA。系統(tǒng)初始化程序被設(shè)置在主程序中。 主站呼叫某從站程序 , 程序流程圖如下： 411 呼叫從站流程圖 發(fā)送主程序： MOV TMOD， 2XH ； C/T1設(shè)置為取消門控、定時(shí)工作方式、模式 2 CLR SMOD ；清 C/T1 加倍位 MOV TH1， 0FDH ；設(shè)置 C/T1 時(shí)間常數(shù) MOV TL1， 0FDH SETB TR1 ；啟動(dòng) C/T1 CLR ET1 ；禁止 C/T1 中斷 二零一二屆本科畢業(yè)論文 第 25 頁(yè) 共 35 頁(yè) CLR ES ；禁止 UART 中斷 MOV SCON， 1100000B ； UART 設(shè)置為模式 3 MOV R0， 20H ；數(shù)據(jù)區(qū)起址