【文章內(nèi)容簡介】 耦合到電力線上。常用的耦合采用圖中所示的相地耦合方式。它由耦合電容C和結(jié)合濾波器F組成。耦合電容器和結(jié)合濾波器構(gòu)成一只高通濾波器，它使高頻信號順利通過，達到了將高頻信號耦合到電力線的目的。而對50Hz電流具有極大的衰減，防止50Hz電流進入載波設(shè)備，達到了保護人身和載波設(shè)備安全的目的。圖中電力線上很高的50Hz電壓，由于頻率低，電壓幾乎都降落到耐壓很高的高壓耦合電容器兩端，結(jié)合濾波器的變量器線圈上所降電壓無幾，這樣的耦合是非常安全的。阻波器T是一個調(diào)諧電路，其電感線圈時能通過很大50Hz電流的強流線圈，保證50Hz電流的傳送，而整個調(diào)諧電路諧振在高頻信號的頻率附近，阻止高頻信號通過，起到防止發(fā)電廠或者變電所母線對高頻信號的旁路作用。總之，利用這些線路設(shè)備，耦合問題得到了解決。 圖22 電力線載波設(shè)備框圖電力線載波通信在兩個方向采用兩個不同的線路傳送頻帶在同一相電力線上來回傳送，是雙頻帶二線制雙向通信。其具體過程為：A端的語音信號(O．3—3．4kHz)經(jīng)差接系統(tǒng)，與頻率為斤的載波進行調(diào)制，并取其上邊帶，將語音信號頻譜搬移到高頻，成為f+(O．3～3．4)kHz的高頻信號，通過放大和帶通濾波器濾除諧波成分，經(jīng)結(jié)合濾波器Fl、耦合電容器C1送到電力線的耦合相線上。由于阻波器Tl的存在，高頻信號沿電力線傳輸?shù)紹端，再經(jīng)過B端的CF2送入B端載波設(shè)備。中心頻率為f1的收信帶通濾波器濾出斤+(0．3—3．4)kHz的高頻信號，經(jīng)過放大、解調(diào)以后得到A端的語音信號。按照相同的方式，將B端的語音信號通過厶+(0．3～3．4)kHz的高頻信號傳輸?shù)紸端，這樣就可以實現(xiàn)雙向電力線載波通信。電力線載波設(shè)備和通信線載波設(shè)備沒有原理上的區(qū)別。但電力線載波設(shè)備與電力線連接時，必須通過線路設(shè)備。實際上，線路設(shè)備中的阻波器和耦合電容器、結(jié)合電容器的作用，同通信線載波設(shè)備中的線路濾波器的作用完全相同。，電力線載波通信系統(tǒng)由電力線載波設(shè)備和高頻通道所組成。它所使用的頻帶主要由高頻通道的特性所決定。使用頻率過高線路衰減將增得很大，通信距離受到限制；而使用頻率太低，將受到50Hz工頻諧波的干擾，同時要求耦合電容器的電容量和阻波器的強流線圈電感量增大，而使線路設(shè)備在制造商和經(jīng)濟上造成困難。國際電工委員會(IEC)建議使用頻帶一般為30～500kHz。在實際選擇頻帶時，必須考慮無線電廣播和無線電通信的影響。國內(nèi)統(tǒng)一的使用頻帶為40～500kHz。電力線載波通信在充分利40～500kHz之間的460kHz頻帶時，和通信線載波通信在充分利用線路頻帶有著明顯的不同。通信線是專門為開設(shè)載波通信而架設(shè)的，為了充分利用這條線路，根據(jù)其傳輸特性的限制，在其可使用的頻帶內(nèi)開設(shè)多路通信，達到全頻帶都能合理的利用。電力系統(tǒng)中的電力線路是為了傳輸和分配電能而架設(shè)的，它們在發(fā)電廠和變電所內(nèi)均按電壓等級連接在同一母線上。同一發(fā)電廠、變電所種不同電壓等級的電力線也均在同一高壓區(qū)內(nèi)，并由電力變壓器將其相互耦合。這樣，在一條電力線上開設(shè)電力線載波，它的信號雖被阻波器阻塞，但還會串擾到同一母線的其他相電力線上去。由于同母線上的不同相電力線之間的跨越衰減不大，因此使每條電力線上開設(shè)電力線載波的頻譜不能重復(fù)使用，使得同母線的各條電力線上只能限制在共同使用的40～500kHz的頻帶。此外，在同一個電力系統(tǒng)中電力線是相互連接的，要想重復(fù)使用相同頻譜，至少應(yīng)相隔兩段電力線路。這就使得同母線的各條電力線上所能共同利用的頻譜，還要比40～500kHz窄167。 實現(xiàn)電力線載波通信的難點 由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線通信具有以下特點。①配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。②三相電力線間有很大信號損失（10dB～30dB）。通信距離很近時，不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。③不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同，耦合方式有線地耦合和線中線耦合。與線中線耦合方式相比，線地耦合方式電力載波信號損失十幾dB，但線地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。④電力線存在脈沖干擾。目前國內(nèi)使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值。兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，因此電力線上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時間約2ms。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過零點時間短，實際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場通信數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應(yīng)用。⑤電力線對載波信號造成高削減。當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高削減。實際應(yīng)用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆譳m。但當電力線上負荷很重時，只能傳輸幾十m。因此，只有通過進一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｌ岣咻d波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積。因此電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信已成為可能。167。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案的構(gòu)成根據(jù)FSK電力線載波通信系統(tǒng)基本硬件功能模塊和設(shè)計的要求，完成主要有串口通信模塊，微控制器模塊、FSK調(diào)制解調(diào)器模塊、電力線耦合模塊和其他外圍模塊組成。167。 串口通信模塊設(shè)計方案的確定串口通信模塊是實現(xiàn)單片機PC機通信的核心模塊,主要用來通過與PC機互聯(lián)通信下載程序到微控制器芯片STC12C5A60S2以達到對FSK調(diào)制解調(diào)模塊的控制。方案：該模塊主要使用MAX232芯片，下面對該芯片做簡單介紹：MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供EIA/TIA232E電平。每個接收器EIA/TIA232E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平。，而且可以接收177。30V的輸入。每個驅(qū)動器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA232E電平。所有的驅(qū)動器、接收器及電壓發(fā)生器都可以在德州儀器公司的LinASICTM元件庫中得到標準單元。MAX232的工作溫度范圍為0℃至70℃，MAX232I的工作溫度范圍為40℃至85℃。芯片特點：1 單5V電源工作2 LinBiCMOSTM工藝技術(shù)3 兩個驅(qū)動器及兩個接收器4 177。30V輸入電平5 低電源電流：典型值是8mA6 符合甚至優(yōu)于ANSI標準EIA/7 可與Maxim公司的MAX232互換8 ESD保護大于MILSTD883（方法3015）標準的2000V 圖23 MAX232引腳圖167。 單片機控制模塊該模塊主要功能是完成對FSK調(diào)制解調(diào)芯片ST7536的收發(fā)狀態(tài)的控制、發(fā)送數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、接收數(shù)據(jù)的處理及電力線接口（PLI）中功放電源的開啟及關(guān)閉等功能。另外微控制器通過RS232接口芯片U（MAX232）可實現(xiàn)與個人電腦（PC）的連接，即通過微控制克實現(xiàn)PC之間的電力線載波通信。方案：該模塊主要使用ST12C5A60S2單片機，它控制ST7536芯片的工作。下面對該單片機作大概介紹： STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快812倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051：STC12C5A60S2系列工作電壓： （5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓： （3V單片機）：0 35MHz，相當于普通8051的 0～420MHz /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)......（36/40/44個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口） 可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏 每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)9. 看門狗（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）: ，誤差為+/5%,，誤差為+/3%：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/5%到+/10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘 常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：：11MHz～ ： 8MHz～12MHz 精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器14. 2個時鐘輸出口，,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒， INT0/, INT1/, T0/, T1/, RxD/, CCP0/( ), CCP1/ ()16. PWM(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路） 也可用來當2路D/A使用 也可用來再實現(xiàn)2個定時器 也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持), 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/()，TxD2/()：40 +85℃(工業(yè)級) / 0 75℃(商業(yè)級)：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。167。 FSK調(diào)制解調(diào)器模塊該模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，主要功能是電力線傳輸數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，將所接收到得數(shù)據(jù)經(jīng)過FSK調(diào)制解調(diào)后發(fā)送出去，并通過外接網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與電力線的耦合通信。方案：該模塊主要使用ST7536芯片，她是設(shè)計用于電力線載波通信的半雙工同步FSK調(diào)制解調(diào)器（MODWM）。ST7536是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，因此采取了多種抗干擾技術(shù)。雖然它采用FSK調(diào)制技術(shù)，而沒有采用擴頻技術(shù)，沒有擴展通信的優(yōu)點，但是，正因為如此，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點。下面對該芯片做簡單介紹：ST7536芯片是ST公司生產(chǎn)的Power Line Modem集成電路，符合歐洲CENELEC(EN500651)和美國FCC標準。ST7536的傳送速率有600bps和1200bps兩種，雖不能與電話線Modem的傳送速率(可達28．8kbps)相比，但與采用無線電臺進行數(shù)據(jù)通信時的傳送速率(可達2400bps)卻相差無幾。1 芯片的主要特點：工作電壓177。5V；波特率可選：600bps／1 200bps；半雙工同步FSK調(diào)制解調(diào)器；發(fā)送載波頻率通過外接晶振合成；發(fā)送信號失真低，并可進行自動電平控制，接收靈敏度為：2mVrms(600bps)、3mVrms(1200bps)；可提取出接收時鐘信號；采用28引腳的PLCC封裝。2 芯片內(nèi)部電路框圖及引腳圖： 圖24 ST7536內(nèi)部電路框圖 圖25 芯片引腳圖4 管腳說明及功能描述見表21表21：管腳名稱管腳號碼 功能描述 Rx/1接收和發(fā)送模式選擇輸入端2邏輯復(fù)位和低功耗模式選擇端，低電平有效TEST43測試輸入選擇端。高電平時選擇發(fā)信濾器的輸入為TxF1端TEST34測試輸入端，當TEST1為高電平時，選擇本腳為時鐘恢復(fù)電路的輸入端RxD5同步接收數(shù)據(jù)輸出端CLR/T6接收或發(fā)送時鐘RxDEM7解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端DGND8數(shù)字地DVDD9數(shù)字正電源：5V+5%/5V5%TEST110測試輸入選擇端，高電平時取消發(fā)送至接收模式的自動切換功能，并使TEST3輸入有效TEST211測試輸入選擇端，高電平時壓縮發(fā)送至接收模式的自動切換時間TxD12發(fā)送數(shù)據(jù)輸入XTAL213晶振輸出XTAL114晶振輸入CHS15信道選擇輸入BRS16波特率選擇輸入AFCF17可用于相連補償網(wǎng)絡(luò)的自動頻率控制信號輸出DVSS18數(shù)字負電源：5V+5%/5V5%IFO19中頻濾波輸出DEMI20FSK解調(diào)輸入AVSS21模擬負電源。5V+5%/55%AGND22模擬地AVDD23模擬正電源：5V+5%/5V5%RAI24模擬信號接收輸入RxFo25接收濾波器輸出TxFI26發(fā)送濾波器輸入ALCI27自動電平控制輸入ATO28模擬信號發(fā)送輸出 167。 電力線耦合