基于BPL的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級(jí)芯片MCBPL1500A的研制

梁 明，吳志勇，王 博，孫圓圓，馬鶴樓

（1.華北電力大學(xué)信息電力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技術(shù)有限公司，北京 100085）

基于BPL的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級(jí)芯片MCBPL1500A的研制

梁 明1,2，吳志勇1，王 博1,2，孫圓圓1，馬鶴樓1

（1.華北電力大學(xué)信息電力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

寬帶電力線通信（Broadband Power-line Communication，BPL)是近年來電力系統(tǒng)與有線通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，是指利用輸電和供電的電力線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。BPL以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。盡管通過電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信因其便利性和低成本而具有誘人的市場(chǎng)前景，但是長(zhǎng)期以來，它一直受傳輸信道本身特性的限制而沒能得到很大的發(fā)展。隨著正交頻分復(fù)用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)技術(shù)的成熟應(yīng)用以及微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，今天的BPL技術(shù)已經(jīng)有了突破性的進(jìn)展，使電力網(wǎng)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化不僅僅成為可能，而且已經(jīng)成為一種新的強(qiáng)有力的技術(shù)手段。另一方面，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展不可能離開國(guó)際主流信息技術(shù)發(fā)展[1-2]，而以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，并形成了工業(yè)以太網(wǎng)的多種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。為此，開發(fā)出將BPL和以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，適合工業(yè)控制和電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的專用電力線通信芯片屬于填補(bǔ)市場(chǎng)空白，必將對(duì)工業(yè)控制信息化產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

1 芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片采用在FPGA中融入ARM7內(nèi)核-Actel CoreMP7，并利用VHDL硬件描述語言完成所有功能模塊設(shè)計(jì)。FPGA與IP核相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方案快捷高效、價(jià)格低廉，避免了ASIC流片帶來的各種風(fēng)險(xiǎn)。

硬件開發(fā)系統(tǒng)采用Actel基于融合技術(shù)的混合信號(hào)FPGA(Actel Fusion Mixed-signal FPGA)M7AFS 1500-FG484工業(yè)型芯片。軟核系統(tǒng)開發(fā)采用Actel的Libero集成開發(fā)系統(tǒng)，該工具集可以進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和仿真，能夠快速有效地實(shí)施整個(gè)設(shè)計(jì)流程，包括平面設(shè)計(jì)、放置和布線、時(shí)序約束及分析、功率分析和生成程序文件。

在對(duì)BPL的基本原理進(jìn)行深入學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)低壓電力線信道傳輸特性、衰減特性和噪聲特性，設(shè)計(jì)了BPL基帶處理系統(tǒng)。應(yīng)用VHDL硬件描述語言完成了BPL基帶處理系統(tǒng)各組成模塊的設(shè)計(jì)。完整實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)劃分、每個(gè)子模塊的硬件描述與實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)的仿真與驗(yàn)證到下載至FPGA進(jìn)行在線實(shí)測(cè)的全部設(shè)計(jì)流程。在設(shè)計(jì)過程中，注重對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究與積累，努力尋求簡(jiǎn)潔高效的實(shí)現(xiàn)方案，并且通過靈活使用IPcore的方法加快工作進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。從最終的結(jié)果來看，整個(gè)設(shè)計(jì)無論是功能實(shí)現(xiàn)還是性能指標(biāo)(占用面積、工作速度)，都取得了預(yù)期的效果。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)子模塊可以單獨(dú)使用，為電力線通信芯片開發(fā)的下一步工作提供良好的工作平臺(tái)和技術(shù)基礎(chǔ)。芯片架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MCBPL1500A芯片架構(gòu)

2 芯片主要技術(shù)指標(biāo)

MCBPL1500A芯片運(yùn)行穩(wěn)定，最高主頻可達(dá)350MHz。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：1）BGA484封裝，芯片面積約27mm×27mm，工作溫度為-40℃～85℃，3.3V單電源供電；2）支持10Mbit/s和100Mbit/s以太網(wǎng)商業(yè)產(chǎn)品，可通過對(duì)接口程序的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)3種不同的工作模式——作為局端、作為終端和作為中繼，通過數(shù)據(jù)包的不同包頭來判定信息來自局端、終端還是中繼；3）內(nèi)嵌圖像采集DSP模塊，可以壓縮或解壓縮非標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)JPEG數(shù)據(jù)流，完全兼容ISO/IEC 10918-1JPEG標(biāo)準(zhǔn)；4）采用ARM7內(nèi)核處理器，與 ARM7TDMI-STM兼容，32/16位RISC架構(gòu)，3級(jí)指令流水線。

芯片具有以下外部接口：1）1個(gè)USB接口，可用于芯片系統(tǒng)設(shè)置、外接工控顯示終端、接口頻道選擇、接口數(shù)據(jù)交換約定等；2）1個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口；3）2個(gè)UART以及2個(gè)I2C接口，均可用于接RTU、傳感器、接口卡等；4）1個(gè)IEEE1394接口，外接攝像機(jī)；5）32位GPIO(通用輸入輸出接口)。

3 芯片設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

由圖1芯片架構(gòu)可以看出，芯片的設(shè)計(jì)涉及BPL基帶調(diào)制、時(shí)鐘生成、Ethernet、電源和存儲(chǔ)器管理、IP軟核和DSP移植、應(yīng)用程序接口設(shè)計(jì)等諸多技術(shù)。以下就BPL基帶調(diào)制、時(shí)鐘生成及Ethernet這3個(gè)較大模塊做簡(jiǎn)介。

3.1 BPL基帶調(diào)制模塊

由于電力線最初是為傳輸電力，而不是為了傳輸信息而設(shè)計(jì)的，電力線傳輸特性決定于負(fù)載配置狀況和各種負(fù)載的阻抗特性。多個(gè)用戶電力線網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是帶有很多支路的梯狀網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)支路阻抗代表一電器設(shè)備的有源阻抗。這些阻抗不斷改變著閉合或斷開狀態(tài)，因此電力線的傳輸特性隨時(shí)發(fā)生變化。圖2中的2條曲線就是在同一個(gè)中低壓電力網(wǎng)的不同地點(diǎn)測(cè)得的輸入阻抗與頻率關(guān)系圖。

圖2 輸入阻抗－頻率關(guān)系圖

此外，信號(hào)在電力線上傳輸時(shí)存在衰減現(xiàn)象，傳輸距離對(duì)信號(hào)衰減的大小起著決定性的影響，隨著距離的增加，衰減會(huì)迅速增加。雖然很難寫出衰減與距離的函數(shù)關(guān)系，但經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，衰減/距離比變化為40～100dB/km。在農(nóng)村衰減最大，500m就達(dá)到50dB；在城市，250m大約為20dB；在郊區(qū)，25m也能達(dá)到25dB；在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長(zhǎng)的線路僅為30dB。如果接收機(jī)的放大器按照最大衰減量設(shè)計(jì)，那么在衰減較小的時(shí)候放大器的輸出將會(huì)嚴(yán)重飽和，影響解調(diào)器的工作。反之，如果不考慮最大衰減量，則在有些時(shí)候解調(diào)器的輸入會(huì)達(dá)不到足夠的信噪比，使解調(diào)失敗。

在中低壓電力線上進(jìn)行信息傳輸時(shí)要認(rèn)真研究的另一個(gè)重要問題是電力線上干擾的特殊性質(zhì)[3]。電力線上的干擾可以分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾是指一些自然干擾，如雷電在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，它對(duì)通信有著嚴(yán)重的影響。經(jīng)過研究己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電力線上的干擾不能被簡(jiǎn)單地認(rèn)為是可加性高斯白噪聲[4]?？梢越频貙⑵浞殖?類：周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時(shí)不變的連續(xù)干擾和隨機(jī)產(chǎn)生的突發(fā)干擾。通常情況下，前2類干擾占主導(dǎo)地位。

通過對(duì)電力線信道特性分析可知，電力線作為通信信道其信道環(huán)境十分惡劣，難以找到一個(gè)精確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，信道噪聲、信道衰落和多徑效應(yīng)嚴(yán)重影響著數(shù)據(jù)通信質(zhì)量[5-6]。這對(duì)載波通信接收機(jī)的設(shè)計(jì)影響很大，需要采用合適的通信技術(shù)來對(duì)抗其復(fù)雜的信道特性。而OFDM調(diào)制技術(shù)具有抗多徑時(shí)延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適用于電力線通信。為此，MCBPL1500A芯片的BPL基帶處理系統(tǒng)中采用OFDM調(diào)制技術(shù)。整個(gè)OFDM基帶處理系統(tǒng)分為上行發(fā)射部分和下行接收部分。OFDM參數(shù)的選擇取決于給定信道的帶寬、時(shí)延擴(kuò)展以及所要求的信息傳輸速率。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，確定系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

3.2 時(shí)鐘生成模塊

在芯片設(shè)計(jì)中采用的是基于時(shí)鐘觸發(fā)沿的同步時(shí)序電路，這對(duì)時(shí)鐘的周期、占空比、延時(shí)和抖動(dòng)都提出了很高的要求。為此，設(shè)計(jì)了專用的時(shí)鐘生成模塊(Clocks Generator)來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的所有時(shí)鐘信號(hào)，Actel的M7AFS1500-FG484FPGA芯片提供了高性能時(shí)鐘管理器(DCM)，可以用來生成高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)，為時(shí)鐘生成模塊的設(shè)計(jì)帶來了方便。設(shè)計(jì)所使用的M7AFS1500-FG484芯片具有4個(gè)DCM模塊，可用來進(jìn)行時(shí)鐘延時(shí)消除、頻率合成、時(shí)鐘相位調(diào)整等功能。DCM由3部分所組成，最低層是數(shù)字延遲鎖相環(huán) (DLL)，其次分別為數(shù)字頻率合成器(DFS)和數(shù)字移相器(DPS)。時(shí)鐘管理單元原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 OFDM調(diào)制參數(shù)設(shè)置表

圖3 時(shí)鐘管理單元原理結(jié)構(gòu)

時(shí)鐘生成模塊主要使用DLL和DFS的倍頻、分頻以及頻率合成功能來得到發(fā)射處理器所需的所有時(shí)鐘信號(hào)。綜合后得到的時(shí)鐘周期分析如表2所示，時(shí)序分析結(jié)果顯示整個(gè)設(shè)計(jì)最大的時(shí)鐘周期延遲（Period Delay）來自SYS_CLK，為9.322ns，換算成時(shí)鐘頻率為107MHz，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)所要求的20MHz。而其他時(shí)鐘的周期延遲均小于9.322ns，其中頻率要求最高的CB-CLK（80MHz）的最高工作頻率達(dá)到了147.76MHz。所有時(shí)鐘完全符合芯片工作對(duì)時(shí)序的要求。

表2 時(shí)鐘周期分析

3.3 Ethernet模塊

以太網(wǎng)接口模塊的功能是處理主機(jī)訪問網(wǎng)絡(luò)終端的操作，把來自上層的數(shù)據(jù)包封裝成幀，再編碼成信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，或者把從網(wǎng)絡(luò)上接收到的信號(hào)組合成幀，送往OSI模型的上層設(shè)備處理。由于芯片的設(shè)計(jì)專用于電力系統(tǒng)監(jiān)控中，故在設(shè)計(jì)中選擇ODVA設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet Industrial Protocol,Ethernet/IP)，在OSI的第一、二層符合標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)規(guī)范。在物理層中介質(zhì)更換為電力線，在數(shù)據(jù)鏈路層采用了基于載波監(jiān)聽多址訪問/沖突避免(CSMA/CA)的廣播共享方式[7-8]。并根據(jù)監(jiān)控需求對(duì)原有TCP/IP協(xié)議棧中不必要的部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使其滿足專用芯片的需求即可。專用TCP/IP協(xié)議消除了標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧對(duì)流量控制的繁瑣過程，僅保留必要功能，同時(shí)通過專用算法加強(qiáng)對(duì)會(huì)話連接的控制、縮短連接超時(shí)的時(shí)間、增加連接數(shù)量等手段，增強(qiáng)系統(tǒng)抵御攻擊的能力，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的持續(xù)安全工作。

TCP/IP協(xié)議的基本傳輸單位是數(shù)據(jù)包(Datagram),TCP協(xié)議負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包，并給每個(gè)數(shù)據(jù)包加上包頭，包頭上有相應(yīng)的編號(hào)，以保證在數(shù)據(jù)接收端能將數(shù)據(jù)還原為原來的格式。IP協(xié)議在每個(gè)包頭上再加上接收端主機(jī)地址，如果傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等情況，TCP協(xié)議會(huì)自動(dòng)要求數(shù)據(jù)重新傳輸，并重新組包。數(shù)據(jù)信息和控制命令的傳輸過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

物理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼和解碼以及頻率選擇，而且定義了基本的機(jī)械和電氣特性，包括把局端和終端連接在網(wǎng)絡(luò)上的電力線、接口以及信號(hào)選項(xiàng)等。OFDM調(diào)制中有7個(gè)工作頻段，室外4個(gè)(2.4MHz±1MHz，4.8MHz±1MHz，8.4MHz±1MHz，10.8MHz±1MHz)，室內(nèi)3個(gè)(19.8MHz±1MHz，22.8MHz±1MHz，25.2MHz ±1MHz)，每個(gè)工作頻段數(shù)據(jù)傳輸速率約9Mbit/s(使用大約2MHz頻譜)，其中上行4.5Mbit/s，下行4.5Mbit/s。

4 芯片的測(cè)試應(yīng)用

為方便用戶使用，編寫了基于芯片資源的全套應(yīng)用程序接口(API)，使得用戶能夠脫離硬件的束縛，快速方便開發(fā)自己的產(chǎn)品。MCBPL1500A芯片的應(yīng)用推廣工作勢(shì)頭良好，該芯片在CDC-226A熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)項(xiàng)目中的應(yīng)用如圖5所示。

圖5 MCBPL1500A芯片在熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

該熱風(fēng)爐自控系統(tǒng)中設(shè)有6個(gè)BPL終端和1個(gè)BPL局端?？梢酝ㄟ^設(shè)置芯片的工作模式，使芯片處于BPL終端/局端模式。

1 號(hào)BPL終端外接1個(gè)智能數(shù)據(jù)采集卡，可以采集水煤氣發(fā)生爐與熱風(fēng)爐的煤氣流量、壓力大小，通過電力線傳送給BPL交換機(jī)，再傳送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控系統(tǒng)通過軟件預(yù)定的參數(shù)值對(duì)調(diào)節(jié)閥和變頻器進(jìn)行控制。2、3號(hào)BPL終端分別外接1個(gè)智能數(shù)據(jù)采集卡，可以分別采集2個(gè)熱風(fēng)爐體拱頂溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)拱頂溫度的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)控制2座熱風(fēng)爐的冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥、煤氣閥，決定2個(gè)熱風(fēng)爐的燃燒及送風(fēng)狀態(tài)。4號(hào)BPL終端外接1個(gè)智能數(shù)據(jù)采集卡，可以采集煙道的溫度，并通過電力線傳送給BPL交換機(jī)，再傳送到監(jiān)控中心，及時(shí)準(zhǔn)確地得知煙道溫度情況。5、6號(hào)BPL終端分別外接1個(gè)攝像頭，用來監(jiān)測(cè)2座燃燒爐里火焰燃燒情況。由于該MCBPL1500A芯片內(nèi)嵌圖像采集DSP模塊，可將圖像信號(hào)直接壓縮成圖像文件實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息傳送，以達(dá)到圖像監(jiān)控的目的。BPL交換機(jī)建立各BPL終端與主站服務(wù)器之間的連接與數(shù)據(jù)交換，有效實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、閥門狀態(tài)、報(bào)警畫面和歷史紀(jì)錄等，確保熱風(fēng)爐安全、可靠、高效運(yùn)行。

該芯片在熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠。傳輸速率和穩(wěn)定性基本滿足控制要求，可以使操作人員準(zhǔn)確及時(shí)了解2個(gè)爐體火焰燃燒情況，并及時(shí)切換工作方式，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語

寬帶電力線通信作為一種通信技術(shù)，在未來幾年有著極其誘人的發(fā)展前景和潛在的巨大市場(chǎng)[9]。尤其是在工業(yè)監(jiān)控方面，隨著工業(yè)信息化的升級(jí)以及安全工程的逐步完善，低成本可靠的通信手段將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

從技術(shù)上看，MCBPL1500A芯片遵循EtherNet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議，在設(shè)計(jì)中舍棄了室內(nèi)和室外電磁干擾較強(qiáng)的頻段，保留了現(xiàn)有的2MHz帶寬的7個(gè)工作頻段，在工廠、發(fā)電廠、變電站等大電流運(yùn)行條件下工作具備較強(qiáng)的抗干擾性能，可用于圖像監(jiān)控，制造成本低；同時(shí)由于采用了Actel融合架構(gòu)的芯片開發(fā)平臺(tái)和高性能Flash內(nèi)存工藝的融合器件，使得該芯片具有超低功耗性能，適用于實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求很高的工業(yè)控制網(wǎng)和電力系統(tǒng)自動(dòng)化內(nèi)部通信網(wǎng)，達(dá)到了工業(yè)級(jí)控制水平，為BPL技術(shù)開辟了一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Development of Chipset MCBPL1500A for Industrial Monitoring and Control Based on BPL

LIANG Ming1,2,WU Zhi-yong1,WANG Bo1,2,SUN Yuan-yuan1,MA He-lou1
(1.RCIEPT，North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.ZBAIST Beijing Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Designed and developed of the Actel Fusion programmable system chip and SoC development platform,MCBPL1500A is an EtherNet/IP Chipset based on Broadband Power-Line Communication (BPL)for industrial monitoring and control,it helps achieve a convenient low-cost,stable and reliable newindustrialcontrolnetworkofelectricpowersystem.Atypicalcase for the correspondingapplication is shown toverifyits performance and functionality.This paper briefly introduces the overall architecture ofMCBPL1500A,presents its main features,describes thekeytechnologies,andoutlinesthepotentialapplicationareas.

BPL；industrial monitoring and control；chipset；EtherNet/IP；MCBPL1500A

在Actel可編程系統(tǒng)芯片和融合技術(shù)SoC開發(fā)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于寬帶電力線通信(BPL)的EtherNet/IP工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級(jí)芯片-MCBPL1500A,該芯片融合了寬帶電力線通信技術(shù)和EtherNet/IP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種便利低廉、穩(wěn)定可靠的新型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，并通過一個(gè)典型案例進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證應(yīng)用開發(fā)。文章概要地介紹了芯片的整體架構(gòu)、主要技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)以及測(cè)試應(yīng)用情況。

寬帶電力線通信；工業(yè)監(jiān)控；芯片；以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議；MCBPL1500A

1674-3814（2010）07-0068-05

TN915.853

A

2010-03-29。

梁 明（1956—），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通訊、信息電力，計(jì)算機(jī)應(yīng)用；

吳志勇（1981—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

（編輯 馮 露）