基于ST7538的一種低壓電力載波模塊設(shè)計(jì)

雷 鋼，時(shí) 偉，張曉民

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044)

當(dāng)前，電力載波通信技術(shù)在以高壓電力線為通信載體方面，已經(jīng)取得了很大的成功，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。但是在低壓電力線上的應(yīng)用并不理想，由于其負(fù)載情況復(fù)雜，其隨機(jī)性等種種因素的影響，主要在輸入阻抗、噪聲、信號(hào)衰減等方面都有較大影響，如輸入阻抗變化大、信號(hào)衰減大、時(shí)變性強(qiáng)以及噪聲干擾性大等。由于上述種種不利因素的影響，使得低壓電力線載波通信的信號(hào)傳輸與中高壓電力線上信號(hào)傳輸存在較大差異，所以影響了該技術(shù)的實(shí)際推廣和應(yīng)用。

近幾年來，由于電力線載波技術(shù)不斷發(fā)展，加之人們的迫切需要，電力線載波通信技術(shù)在中、低壓技術(shù)方面也有了很好的提高，且顯示出良好發(fā)展的大好形勢，不僅能夠提高供電部門整個(gè)抄表系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以擴(kuò)展到其他行業(yè)，如電力、交通、銀行、消防、商場等各個(gè)領(lǐng)域服務(wù)，這將產(chǎn)生具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。所以低壓電力載波成為電力通信領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)熱門課題。

本文通過對(duì)國內(nèi)外低壓電力線載波技術(shù)的了解和研究，擬搭建出一個(gè)實(shí)際的、以ST7538為核心的低壓電力載波通信系統(tǒng)。為智能小區(qū)內(nèi)以家用電氣設(shè)備為控制對(duì)象的載波模塊的提供了設(shè)計(jì)方案。通過研究，可進(jìn)一步促進(jìn)低壓電力線載波技術(shù)的發(fā)展。它不僅提高了該通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，還能為今后開發(fā)基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的低壓電力載波通信應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

1．低壓電力載波模塊硬件電路設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)與其他通信方式是相近的，信息的傳輸基本上都要有信源、信道、信息的收發(fā)端以及相應(yīng)的接口電路等，只不過低壓電力載波通信的信道是低壓電力線。其系統(tǒng)框架圖可表示為圖1所示。

圖1 低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理圖

從圖1中可通信設(shè)備分主通信和從通信兩種，分別對(duì)應(yīng)信息的發(fā)送端和接收端。由圖中箭頭方向可清晰的看到其信息傳遞的全過程，簡單地說，就是信源提供信息經(jīng)發(fā)送端輸出→通信接口電路→微控制器→信號(hào)調(diào)制→電力線接口→電力線→電力線接口→信號(hào)解調(diào)→微控制器→通信接口電路→信號(hào)最終由接收端接收。本系統(tǒng)所用接口電路為串口電路;微控制器為宏晶科技公司的STC12C4052單片機(jī);信號(hào)的調(diào)制解調(diào)芯片就是ST7538芯片。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中為了便于后期的系統(tǒng)集成和利用，將整個(gè)電路分成三個(gè)單元電路設(shè)計(jì)。①系統(tǒng)電源部分，采用開關(guān)電源，為系統(tǒng)提供+/－12V工作電源。②電力載波芯片(信號(hào)調(diào)制解調(diào))與電力線接口電路;隨著微電子集成設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)入，選擇一種集各種放大電路、保護(hù)電路和接口電路于一身的集成電路也是容易，這既大大減小了通信設(shè)備的體積，又完善了電路功能。該模塊能完成的工作不僅是電壓或功率的放大和各項(xiàng)保護(hù)，還能進(jìn)行電路的濾波和耦合。對(duì)外只開放串行通信接口線，方便二次利用。③應(yīng)用層電路設(shè)計(jì)，在具體的應(yīng)用環(huán)境中使用上述集成模塊，兩者之間通過串口通信，即制作應(yīng)用接口板測試電路，檢驗(yàn)?zāi)K的遠(yuǎn)程通信的可靠性，實(shí)驗(yàn)中通過繼電器開關(guān)輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電器設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能。

1．2 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)如圖4－11所示，為系統(tǒng)提供+/－12V供電電壓，使用TinySwitch－II電源芯片TNY268，具有性價(jià)比高、外圍電路簡單、效率高、功耗低等顯著優(yōu)點(diǎn)。

圖2 開關(guān)電源電路圖

1．3 接口電路設(shè)計(jì)

芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路就是電力線接口。前面我們提到過，載波芯片與電壓電網(wǎng)相連只需經(jīng)過簡單的耦合電路即可，所以在該接口電路的功能設(shè)計(jì)上，必須要有耦合功能。除此之外，為減小各種干擾信號(hào)的影響，需增加濾波功能;還有為提高傳輸距離，需考慮增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，還需加設(shè)必要的保護(hù)功能。綜上考慮，設(shè)計(jì)出芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路如圖3所示。

發(fā)送信號(hào)的過程從芯片ST7538的第19引腳輸出后，需經(jīng)過電壓放大TL072C環(huán)節(jié)、輸出電壓反饋控制環(huán)節(jié)、發(fā)送放大電路電源控制環(huán)節(jié)、功率放大BD237BD238環(huán)節(jié)以及耦合保護(hù)窄帶濾波環(huán)節(jié);而信號(hào)接收過程環(huán)節(jié)相對(duì)較少，從低壓電力線輸入后，經(jīng)耦合保護(hù)窄帶濾波環(huán)節(jié)和電壓放大TL072C后，傳入芯片ST7538第32腳，這兩個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)過程中都在工作，也無需放大電路電源控制環(huán)節(jié)和輸出電壓反饋控制環(huán)節(jié)。

2．軟件設(shè)計(jì)

為簡明扼要地表達(dá)出系統(tǒng)軟件工作流程，特將該系統(tǒng)中的通信接口、微處理器和載波調(diào)制解調(diào)看作是一根連接低壓電力線和電力線接口的紐帶。經(jīng)簡化后得出低壓電力載波通信系統(tǒng)軟件流程圖，如圖4所示。

圖3 芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路

由圖4可知，其軟件工作流程如下:首先系統(tǒng)通電開始進(jìn)行端口的初始化工作，再對(duì)用戶設(shè)置的波特率、幀長和信號(hào)通信方式等進(jìn)行檢測，再根據(jù)其檢測結(jié)果發(fā)送載波芯片中控制寄存器的控制字，然后就開始了從電力線接收數(shù)據(jù)的工作，接下來可分兩種情況分析:第一種情況是當(dāng)FSK載波信號(hào)和同步字都檢測到時(shí)，就可進(jìn)入信號(hào)數(shù)據(jù)接收狀態(tài);第二種情況，當(dāng)前者檢測中任何一個(gè)條件不滿足時(shí)，則即刻進(jìn)入到SCI通信接口數(shù)據(jù)檢測環(huán)節(jié)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

接第一種情況分析，信號(hào)數(shù)據(jù)開始接收直至數(shù)據(jù)接收完畢，再進(jìn)行譯碼檢測過程，一旦出錯(cuò)經(jīng)錯(cuò)誤處理后再重新接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)檢測無誤后進(jìn)行SCI通信接口接收中斷狀態(tài)檢測，如果中斷打開，則進(jìn)入延時(shí)等待查詢，直至中斷關(guān)上后，再開啟SCI發(fā)送中斷請(qǐng)求，然后再經(jīng)SCI通信接口向通信終端發(fā)送數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，再返回至第一情況前的FSK載波信號(hào)和同步字檢測工作。

接第二種情況分析，SCI口若沒收到數(shù)據(jù)，直接返回至FSK載波信號(hào)和同步字都檢測前。一旦收到數(shù)據(jù)后，即刻發(fā)送開SCI接收中斷請(qǐng)求，進(jìn)入到SCI口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，直至數(shù)據(jù)接收完畢，否則返回繼續(xù)接收。接收完畢后發(fā)送關(guān)SCI口接收中斷請(qǐng)求，一旦SCI發(fā)送中斷打開，進(jìn)入延時(shí)等待查詢，直至中斷關(guān)上后，開始向電力線發(fā)送數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，否則返回繼續(xù)發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，又返回至第一情況前的FSK載波信號(hào)和同步字檢測工作。如此循環(huán)往復(fù)的工作。

經(jīng)過仔細(xì)考慮，選擇了實(shí)驗(yàn)室較易實(shí)現(xiàn)、節(jié)省時(shí)間的方案:對(duì)市電中的智能小區(qū)中家用電器(電燈)的遠(yuǎn)程控制。主要通過低壓電力載波通信技術(shù)來傳輸控制電燈的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)電力線路運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電力線路等設(shè)施遭到破壞時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，達(dá)到使工作人員做到及時(shí)處理減小損失的目的。

3．結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，低壓電力載波通信在信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃陨弦延辛撕艽蟮母纳啤Ｄ壳皣舛荚谥铝τ谕茝V其應(yīng)用范圍，我國電力系統(tǒng)擁有遍及全國各個(gè)角落的網(wǎng)絡(luò)資源，而這些資源是建設(shè)本地寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的物質(zhì)基礎(chǔ)。遍布城鄉(xiāng)的配電線路和桿溝，也為實(shí)現(xiàn)用戶接入系統(tǒng)的寬帶化提供了便利條件，這項(xiàng)技術(shù)勢必將會(huì)大放異彩，其發(fā)展空間尤為廣闊。

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［2］杜瓊，周一屆．電力線載波通信技術(shù)［J］．華北電力技術(shù)．2005(2):46－47．

［3］王波，王翥，宋佳．基于低壓電力線的智能載波模塊的設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2009(14):273－274．