【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 畢業(yè)設(shè)計論文 數(shù)字信號在 電源供電線路上的載波傳輸電路設(shè)計 摘要 電力線路本身是用來傳輸電能的，因而在現(xiàn)代社會里它隨處可見，是一筆巨大的財富。 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力線通信技術(shù)日益引起人們的關(guān)注。該方法可避免新的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和投資，因而具有很大的方便性、免維護(hù)性和即插即用等特點(diǎn)，因而電力線通信的應(yīng)用越來越廣泛。故在系統(tǒng)開發(fā) 中 軟件設(shè)計、器件的選擇及電力線接口的設(shè)計是關(guān)鍵。 本文 著重論證了系統(tǒng)及各個單元電路的實(shí)現(xiàn)方案，研究了以 ST7536 單片機(jī)為核心的核心系統(tǒng)設(shè)計，包括復(fù)位、晶振電路 、收發(fā)電路及 接口電路設(shè)計 。同時利用單片機(jī)編程軟件 keil 編寫 簡單控制程序，并實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試簡單步驟、結(jié)果及誤差分析。具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便、抗干擾性和抗衰減性 、易于實(shí)現(xiàn) 等顯著優(yōu)勢，可以有效可行的實(shí)現(xiàn)電力線通信 。 課題研究背景及意義 ........................... 2 167。 國外發(fā)展 ............................... 3 167。 電力線的發(fā)展前景展望 ......................... 4 167。 傳統(tǒng)的低電壓電力線載波通信分析 ............... 7 167。 頻移鍵控方式 ........................... 8 167。 擴(kuò)頻通信方式 .......................... 10 167。 電力 線載波 ................................. 12 167。 串口通信模塊設(shè)計方案的確定 ............. 16 167。 FSK 調(diào)制解調(diào)器模塊 ..................... 19 167。 系統(tǒng)描述 ................................... 26 167。 單片機(jī)電路設(shè)計 ............................. 27 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） V 167。 電力線耦合模塊電路設(shè)計 ..................... 33 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .................................... 35 167。 ST7536 發(fā)送和接收模塊軟件設(shè)計 ............... 36 167。 ST12C5A60S2 集成開發(fā)環(huán)境 (IAR)與使用詳解 ..... 39 167。它以電力線為信道，以變電站、發(fā)電廠為終端，特別適合電力調(diào)度通信的需要。 在以數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信為主干線而覆蓋全國的電力通信網(wǎng)絡(luò)已初步形成、多種通信手段竟相發(fā)展的今天，電力線載波通信 仍然是地區(qū)網(wǎng)、省網(wǎng)乃至全國網(wǎng)的主要通信手段之一，從理論研究，到運(yùn)行實(shí)踐，我們都取得了可喜的成效 ， 隨著科技的迅速發(fā)展，電力線已成為一種新型的寬帶接入技術(shù)，并且有著良好的發(fā)展前景。同時配置了一系列的外圍電路來進(jìn)一步完善系統(tǒng)，可以很好的實(shí)現(xiàn) PCPC 之間通過輸電線路得數(shù)據(jù)交換，有廣泛的應(yīng)用前景。 課題研究背景及意義 電力線載波通信是利用電力線這種介質(zhì)來進(jìn)行載波傳輸?shù)囊环N通信方式。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)外開展利用低壓電力線傳輸速率在 1Mbps 信息的高速電力線載波技術(shù)，該技術(shù)在現(xiàn)有電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載。另外，電力線通信技術(shù)組網(wǎng) 簡單、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)受到越來越多的人的關(guān)注。這些也是我們研究電力線載波通信的一種動力。眾所周知，目前的電力線主要用來傳輸電能的。電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問題，如何解決這個問題成為電力線載波通信作為寬帶接入問題關(guān)鍵。 現(xiàn)在，國際上高速電力線載波通信采用的主要調(diào)制技術(shù)有三類：單載波類、擴(kuò)展頻譜類和 OFDM(J 下交頻分復(fù)用 )調(diào)制技術(shù)。在日常生活領(lǐng)域中 , 低壓電力線載波通信逐步顯示出其巨大的優(yōu)勢和潛力， 前景河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 十分廣 闊。 電力線通信的國內(nèi)外研究應(yīng)用狀況 167。 97 年英國的 Norweb 通訊公司和加拿大 Nortel(北電網(wǎng)絡(luò) )利用丌發(fā)的數(shù)字電力線載波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行的 1Mbit／ s 的速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通信，并進(jìn)行了該技術(shù)市場推廣。 國際各大公司紛紛推出 PLC 調(diào)制解調(diào)芯片，其中主要有美國 Intellon 公司的 1 5 85 和 200Mbit／ s 芯片，西班牙 DS2 公司 45 和 200Mbit／ s 芯片等等。 目前，電力線載波通信在歐洲發(fā)展比較快，歐盟為促進(jìn)電力線載波技術(shù)發(fā)展，在 2020 年啟動了 OPERA(Open PLC European Research Alliance)的計劃，致力于制定歐洲統(tǒng)一的 PLC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，并將 PLC 作為實(shí)現(xiàn)信息化歐洲的重要技術(shù)手段。 日本對 PLC 的態(tài)度，經(jīng)歷了從初期懷疑否定、到開放試驗(yàn)、直至今日的積極推動的三個階段。 167。 在我國，四十年代已河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 有日本生產(chǎn)的載波機(jī)在東北運(yùn)行，做為長距離調(diào)度的通信手段。 我國電力線載波通信的現(xiàn)狀 ： 在以數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信為主干線的覆蓋全國的電力通信網(wǎng)絡(luò)已初步形成、多種通信手段竟相發(fā)展的今天，電力線載波通信仍然是地區(qū)網(wǎng)、省網(wǎng)乃至網(wǎng)局網(wǎng)的主要通信手段之一，仍是電力系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域最廣泛的通信方式，仍是電力通信網(wǎng)的重要的基本通信手段；從理論研究，到運(yùn)行實(shí)踐，我們都取得了可喜的成效。在應(yīng)用上，上至 500KV 線路，下至 35KV 乃至 10KV 線路， amp。都開通了電力線載波機(jī)。127。電力線載波名附其實(shí)地成為電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的通信手段。如葛－滬 177。127。 (3) 載波技術(shù)裝備水平有了很大提高，從五六十年代雙邊帶電子管ZDDI/2amp。、 ZS3 等發(fā)展到今天的 ESB500、 ZDD27/36 等全集成化單邊帶載波機(jī)，并推出了數(shù)字式載波機(jī)。127。 (4) 理論研究成果卓著。為適應(yīng)現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式電力線載波機(jī)的開發(fā)研制也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 167。據(jù)有關(guān)市場研究公司預(yù)測，在 2020 年之前中國的寬 帶用戶數(shù)量將達(dá)到 5450 萬戶，面對如此巨大的寬帶用戶市場， PLC 的發(fā)展拉動了網(wǎng)絡(luò)向千家萬戶的覆蓋。同時，PLC 技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表、配網(wǎng)自動化、營銷自動化、負(fù)荷管理等方面的廣泛應(yīng)用，將為實(shí)現(xiàn)我國的電網(wǎng)配售自動化、建設(shè)電力信息化平臺，提供一個良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和解決方案。發(fā)展 PLC 技術(shù)的目的，不是取代光纖通信接入以及 ADSL 等其它寬帶接入技術(shù)，而是作為以上技術(shù)的互補(bǔ)，在特定應(yīng)用場合發(fā)揮各自的長處，為國家信息化建設(shè)節(jié)省投資，給廣大網(wǎng)民帶來利益。為此，末端接入的優(yōu)勢必將給已經(jīng)有寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營基礎(chǔ)的電信運(yùn)營商和寬帶接入服務(wù)商提供了增加用戶接入率的商機(jī) 167。通過電路對 電力線上傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理，單片機(jī)系統(tǒng)再將采到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收 、 發(fā)送 和存儲 。驅(qū)動程序、芯片輸入輸出端口的濾波電路的設(shè)計 、 數(shù)據(jù)傳輸線和直流供電線路的變壓器耦合電路、 擴(kuò)展存儲器等模塊來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的擴(kuò)充及完善。最 后完成畢業(yè)論文。仔細(xì)閱讀ST7536 芯片和 ST12C5A60S2 單片機(jī)的 pdf 手冊，了解所選芯片的功能和應(yīng)用電路的接法。自下而上，條理清晰。減少了設(shè)計的盲目性，一定程度上減少了差錯避免了經(jīng)濟(jì)損失。 并實(shí)現(xiàn)一個通過串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī) PC的互聯(lián)通信，來對 ST7536 芯片的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和存儲 。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二章 系統(tǒng)的 設(shè)計 方案 167。在此 基礎(chǔ)上，又派生出了差傳統(tǒng)的低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸，即用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號的頻譜搬移到較高頻率上，以避開電力線的強(qiáng)噪聲干擾。這些調(diào)制方法最大的弱點(diǎn)就是去噪聲能力不強(qiáng)，隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜和人們對低壓電力線載波通信質(zhì)量要求的不斷提高，傳統(tǒng)的載波通信技術(shù)已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代高速率、大容量的要求。首先，要有較高的頻譜利 用率，這樣才能適應(yīng)電力線通信信道有效帶寬窄的特點(diǎn)；其次，要有較好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶內(nèi)，降低功率損失；另外，對信道的衰減特性和非線性特性要有較好的抵抗性，對噪聲干擾要有很強(qiáng)的抑止能力，能在很低的信噪比情況下正常工作。 電力線載波通信調(diào)制技術(shù)概述 低壓電力線上的信號干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時變性很大，難以找到一個較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述。傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控（ ASK）、頻移鍵控（ FSK）和相移鍵控（ PSK）等。 167。頻移鍵控是將所要傳輸?shù)男畔⑤d荷在載波的瞬時頻率變化上，即頻率的變化反映信息的變 化。數(shù)據(jù)包均由起始頭文件引導(dǎo)。通信兩端采用異步、半雙工方式收發(fā)信號。 FSK是利用載波的頻率變化來傳送數(shù)字信息，即用所傳送的數(shù)字信息控制載波的頻率。 圖 22 是輸入的基帶信號，即“ 0”和“ 1”的二進(jìn)制序列。 通常， 電力載波通信中的遠(yuǎn)動信號傳輸速率 Rb 為 300 bit/s， 600bit/s， 1200bit/s。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 23 為連續(xù)相位 2FSK 信號 圖 23 為圖 22 輸入信號相應(yīng)的連續(xù)相位 2FSK 信號波形， 其中載波頻率 f1和 f2分別代表數(shù)字信號“ 0” 和“ 1” 。由圖 22 也可發(fā)現(xiàn)，一個 2FSK 信號可以看成是兩個不同載頻的 2ASK 信號的疊加， 因此， 在產(chǎn)生 2FSK 信號時可以采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn)。一般來講，可以附加帶通濾波器用來抑制帶外噪聲，降低 FSK 發(fā)送器的諧波。 相移鍵控方式 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 相移鍵控是用離散的基帶數(shù)據(jù)信號去控制載波信號的相位變化， 即數(shù)據(jù)信號的信息載荷 在載波的相位變化上，利用載波相位的變化來傳遞信息。 該方式通過調(diào)制載波的相位來傳輸數(shù)據(jù)，也是一種線性調(diào)制技術(shù)。 PSK 是用載波的兩種不同相位表示信號“ 0”和“ 1， 可取 0 和 π 兩種取值，其時域表達(dá)式為： 式中： an =??? ?? 出現(xiàn)以概率 出現(xiàn)以概率 P11 P1； ?c 為載波角頻率。 在 PSK 系統(tǒng)中，由于發(fā)送端是以某一個相位做基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)中也必須有對應(yīng)的基準(zhǔn)相位作參考，如果基準(zhǔn)相位發(fā)生變化就會造成誤碼。在大信噪比條件下， PSK 的誤碼率比 FSK 要好。 擴(kuò)頻通信方式 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信 (Spread Spectrum Communication)，是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。 在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、 解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信在一定程度上可以提高頻帶內(nèi)抗干擾的能力， 但是當(dāng)載波信號由于阻抗不匹配而引起信號跌落時，擴(kuò)頻通信也無能為力。 要對信息數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，其擴(kuò)頻所采用的偽隨機(jī)碼須有極寬且均勻的頻譜特性。擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能同擴(kuò)頻碼的性能有很大關(guān)系。從理論上說，用純隨機(jī)序列去擴(kuò)展信號頻譜是最理想的。因此，實(shí)際工程中，我們只能用偽隨機(jī)或偽噪聲（ PN）序列作為擴(kuò)頻碼。 擴(kuò)頻通信要求擴(kuò)頻序列具有較好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性， 屬偽隨機(jī)序列（ Pseudo Noise Sequence，即 PN 序列） 。擴(kuò)頻的主要特點(diǎn)就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須預(yù)先知道一個預(yù)置的擴(kuò)頻碼或密鑰，擴(kuò)頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機(jī)數(shù)字序列。否則，接收機(jī)將不能提取發(fā)射信息。通常采用反饋型移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列。擴(kuò)頻技術(shù)具有偽隨機(jī)碼調(diào)制和相關(guān)處理兩大特點(diǎn)。采用該技術(shù)，能在很大程度上克服電力線的大衰減、強(qiáng)干擾的缺陷，提高了通信系統(tǒng)的能力。 正交頻分復(fù)用 正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制技術(shù)。它把有效的頻譜分成許多小的信道。重疊越大，分成的信道數(shù)也就越多。 它具有頻譜利用率高，信號調(diào)制解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，同時可以較好地解決電力線通信信道的多徑衰落和頻率選擇性衰落，已廣泛地應(yīng)用于電力線通信、無線局域網(wǎng)（ WLAN）等技術(shù)領(lǐng)域。目前常采用 DSP 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，這種調(diào)制技術(shù)具有抗噪聲、抗多徑干擾、抗衰落等優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在發(fā)射功率、調(diào)制效率、抗干擾性能、抗多徑能力等方面。將 FSK 應(yīng)用到 PLC 中時，對其具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計，使之能夠與 PLC 的信道特點(diǎn)相適應(yīng)，以達(dá)到較好的傳輸性能 。 167。圖中 A 端為發(fā)電廠、B 端為變電所，發(fā)電廠產(chǎn)生的 50Hz 電流經(jīng)升壓后，通過電力線送到變電所，再經(jīng)降壓后供給用戶。常用的耦合采用圖中所示的相地耦合方式。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(dá)到了將高頻信號耦合到電力線的目的。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?？傊?，利用這些線路設(shè)備，耦合問題得到了解決。其具體過程為： A 端的語音信