基于電力載波與USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的便攜式網(wǎng)卡設(shè)計

趙　麗，宋鵬飛，王宣方（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津　300222）

基于電力載波與USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的便攜式網(wǎng)卡設(shè)計

趙麗，宋鵬飛，王宣方
（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津300222）

摘要：目前家庭通用的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備是基于RJ45接口的，這種鏈接方式在浪費資源的同時也缺乏便攜性。為了解決以上連接方式的不足之處，設(shè)計了一種基于電力線通信技術(shù)與USB/以太網(wǎng)技術(shù)的便攜式網(wǎng)卡。該裝置采用符合HomePlug AV協(xié)議的INT6400芯片來實現(xiàn)電力載波部分的設(shè)計，實現(xiàn)家庭互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在現(xiàn)有電力線上的傳輸，同時使用AX88772B芯片設(shè)計USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換部分，實現(xiàn)了用USB接口接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。電力載波通信技術(shù)可以實現(xiàn)只要有電力線的地方就有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，而USB接口的方式使得系統(tǒng)適用范圍更廣，二者相結(jié)合實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的便攜化與通用化。

關(guān)鍵詞：電力載波；USB；以太網(wǎng)；HomePlug AV

有線通信領(lǐng)域里，硬件線路搭建在成本中所占比重較大，特別在較遠(yuǎn)距離的通信系統(tǒng)之中更是如此。要降低有線通信系統(tǒng)成本，信道成本的降低是主要方向之一。減小有線信道的成本首要考慮的就是要利用已經(jīng)有信息傳輸?shù)奈锢礞溌穂1]。電力載波通信技術(shù)可以利用目前已有的家用電力線作為通信信道，在遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電力線通信技術(shù)（power line communication，PLC）是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。此項技術(shù)具有成本低、可覆蓋范圍廣且易于連接等特點。低壓電力線作為通信線路的以太網(wǎng)連接方式，可將220 V市電相連的電器全部接入互聯(lián)網(wǎng)，為將來物聯(lián)網(wǎng)提供了另外一種實現(xiàn)方式。

在信息化時代，隨著計算機、消費電子、通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)一體化的不斷發(fā)展，各類電子產(chǎn)品對于以太網(wǎng)連接的便捷性要求越來越高。消費者對于電子產(chǎn)品的信息共享、數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃枨笫沟脗€人電腦和其他嵌入式電子設(shè)備必須具有獨立的網(wǎng)絡(luò)接口。然而，目前市場上大部分智能設(shè)備和儀器儀表都不具備網(wǎng)絡(luò)接口。便攜性和靈活性是目前移動電子設(shè)備發(fā)展趨勢，由于所生產(chǎn)的電子設(shè)備體積越來越小，集成度越來越高，因此放棄使用RJ45、VGA等物理尺寸較大的硬件接口，選擇體積較小的USB接口是一種必然趨勢[2-3]?；陔娏d波與USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的便攜式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計就是將電力載波與USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了2種技術(shù)的優(yōu)勢，解決了未來智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、智能儀表等領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)實問題。本研究設(shè)計了電力載波通信模塊與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了信號在已有電力線傳輸和USB接口接受的同時也實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的便攜化與通用化。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，主要包括電力載波模塊、USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊、家庭網(wǎng)關(guān)3部分。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

其中，電力載波模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信號的傳遞與協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送時利用OFDM調(diào)制技術(shù)，把用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行線路耦合與調(diào)制，然后信號在低壓電力線上傳輸。在接收端，對電力線上的信號進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過解調(diào)還原成原始信號。USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)跟家庭網(wǎng)關(guān)的連接。因特網(wǎng)、個人電腦、手機等家庭網(wǎng)絡(luò)中的通信終端簡稱網(wǎng)絡(luò)用具。家庭網(wǎng)絡(luò)用具接收經(jīng)過USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器模塊轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過PLC總線與網(wǎng)關(guān)相連接，組成相互獨立的通信回路。系統(tǒng)采用小體積的集成芯片進(jìn)行設(shè)計，因此可以很方便地嵌入到其他網(wǎng)絡(luò)中[3-4]。

2　電力載波通信模塊設(shè)計

當(dāng)需要通過PLC傳輸音視頻信號時，可以將PLC信道在頻率上進(jìn)行分割，在得到的多個子信道上傳輸數(shù)據(jù)，這種方式稱為寬帶PLC通信。OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。OFDM調(diào)制是在低壓電力配電網(wǎng)上實現(xiàn)高速數(shù)字傳輸?shù)睦硐脒x擇，調(diào)制技術(shù)在數(shù)據(jù)塊之間插入一個大于信道脈沖響應(yīng)時間的保護(hù)間隔，有效消除了碼間干擾。該調(diào)制技術(shù)具有較高的帶寬利用率以及較好的抗干擾能力，與前向糾錯碼的結(jié)合可以很好地克服脈沖噪聲的干擾，與信道編碼和交織技術(shù)的結(jié)合能夠達(dá)到可靠和有效的通信[5-7]。

HomePlug AV是電力線通信聯(lián)盟PLC標(biāo)準(zhǔn)。主要面對的對象是小型系統(tǒng)和家庭網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)。HomePlug AV的設(shè)計滿足更高的帶寬和更低的時延需求，以支持幾個同時并發(fā)的HDTV和VoIP流，并且能同時使用家中90%的電源插座，其應(yīng)用目標(biāo)是家庭影院和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的家庭音視頻分配。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備在4～5 MB/s之間，可以滿足家庭視頻音頻傳輸?shù)男枨蟆?/p>

寬帶PLC調(diào)制解調(diào)器采用以HomePlug AV收發(fā)器（INT6400）為主控制器，配合外圍電路組成，其主控制器模塊原理圖如圖2所示。系統(tǒng)采用數(shù)字芯片加上模擬前端的組合，采用INT1400作為INT6400芯片與電力線濾波耦合電路之間的輔助放大芯片，它的作用主要是放大和整流。INT1400同樣符合HomePlug AV技術(shù)規(guī)范。

圖2　電力載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計框圖

INT6400完成發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼、加密、信道編碼、OFDM調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換等操作，與此同時，完成信道偵聽、數(shù)據(jù)接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、OFDM解調(diào)、信道解碼、數(shù)據(jù)解密、數(shù)據(jù)解碼等操作。INT1400對電力線上的信號進(jìn)行窄帶濾波和放大，實現(xiàn)電力線上特定調(diào)制信號的接收，以太網(wǎng)控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和糾錯后，提取有效數(shù)據(jù)送給INT6400；另一方面，由INT6400送來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器進(jìn)行處理（插入糾錯碼、打包等），選擇適當(dāng)?shù)臅r機通過USB接口電路發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上[8]。

INT6400芯片組的典型應(yīng)用電路如圖3所示，圖中，R5、R6、R7 3個電阻組成了一個衰減器，這個衰減器用來防止ADC的輸入端信號超出最大額定值；C2 和C3耦合電容用來消除高頻干擾；R1和R2與TX的2個信號輸入端并聯(lián)，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行傳輸；R3和R4作為下拉電阻，使2個端口工作時保持低電平。

圖3　INT6400與INT1400典型應(yīng)用電路

3　USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器設(shè)計

USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換目前市場上有多種解決方案，這里采用亞信電子的USB以太網(wǎng)控制芯片AX88772B來設(shè)計。這種芯片具有低功耗、低引腳數(shù)、內(nèi)置封包校驗和承載引擎、支持100BASE-FX光纖模式及-40～85℃工業(yè)規(guī)格等特點。芯片采用64引腳小型封裝，可大幅減少PCB空間，主要應(yīng)用于臺式電腦、筆記電腦、計算機擴展基座、游戲機、智能家電及任何具備標(biāo)準(zhǔn)USB端口的嵌入式系統(tǒng)。AX88772B具有如下特點：

（1）USB 2.0轉(zhuǎn)RMII，支持HomePNA和HomePlug PHY。

（2）在USB接口方面，AX88772B集成USB2.0收發(fā)器及串行接口引擎，符合USB1.1/2.0規(guī)范；支持USB全速及高速模式，電源驅(qū)動能力支持總線供電模式和自供電模式；具有獨有的突發(fā)傳輸機制，可使USB總線上的封包傳輸具有較高的速率。

（3）AX88772B具有先進(jìn)的電源管理功能，能有效地降低功耗。

（4）內(nèi)設(shè)置標(biāo)識符SRAM且可在線進(jìn)行USB設(shè)備標(biāo)識符設(shè)定，有效節(jié)省E2PROM的成本。

（5）支持動態(tài)電源管理以節(jié)省在空載或輕負(fù)載等狀況下的功耗；支持AutoDetach省電模式與USB連接。

（6）具備通用擴展介質(zhì)接口。AX88772B可選RMII接口以支持MAC工作模式，用于連接AX88772B外部100Bease-FM或HomePlug PHY；可選Reverse-RMII接II以支持PHY工作模式，支持MAC-to-MAC無縫連接。

AX88772B的組成框圖如圖4所示，該芯片由電壓調(diào)節(jié)器、晶振、PLL、以太網(wǎng)MAC、以太網(wǎng)PHY、通用輸入輸出等電路組成。

圖4　AX88772B的組成框圖

基于AX88772B的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。這里只考慮以太網(wǎng)物理層的連接，在應(yīng)用過程中USB端口負(fù)責(zé)與計算機連接。電力載波部分經(jīng)過變壓器與AX88772B相連接。圖5中E2PROM存儲USB的啟動配置參數(shù)，當(dāng)USB啟動時候，會讀取其中的內(nèi)容以實現(xiàn)對模塊的初始化配置。

圖5　電力載波模塊設(shè)計框圖

4　系統(tǒng)實驗結(jié)果

由于整個系統(tǒng)都是構(gòu)建在硬件平臺上的，因此對整個系統(tǒng)的調(diào)試主要集中在對系統(tǒng)硬件的調(diào)試上。系統(tǒng)調(diào)試可以分為2個主要部分進(jìn)行。首先需要完成對系統(tǒng)板的電器特性正確性調(diào)試。在這一步中，主要完成對系統(tǒng)PCB板所有元件工作狀態(tài)的測試，確保所有器件可以正常工作。第2個主要部分是實現(xiàn)模塊網(wǎng)絡(luò)測試與2個模塊聯(lián)調(diào)。首先是電力載波模塊的整體調(diào)試，以測試電力載波模塊是否通暢；然后測試USB/以

太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊；之后對2個模塊的整體進(jìn)行測試。系統(tǒng)選用一臺便攜式電腦作為網(wǎng)絡(luò)測試終端，從網(wǎng)絡(luò)上下載較大文件以測試下載速度，實驗場景如圖6所示。經(jīng)過測試，本研究設(shè)計的基于電力載波和USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的便攜式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以達(dá)到1.6 MB/s左右的通信速度，可以滿足家庭以太網(wǎng)連接的需求。

圖6　實驗場景圖

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于電力載波和USB接口的以太網(wǎng)絡(luò)適配器設(shè)計方案，著重對調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)及USB/以太網(wǎng)接口電路進(jìn)行設(shè)計，給出了系統(tǒng)測試方案。由于電力載波與USB接口的以太網(wǎng)連接應(yīng)用與具體的應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，只要是擁有電力供應(yīng)的場所，都可以非常方便地實現(xiàn)以太網(wǎng)的連接。

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Design of portable USB network device based on power line communication

ZHAO Li，SONG Peng-fei，WANG Xuan-fang
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：At present,the universal network access devices in home,which is based on the link of Ethernet of the RJ 45 interface, and this link way is not only wasting resources but also lacking of portability at the same time. In order to solve the problem of the connection mode, a kind of probable network card based on power line communication and USB Ethernet technology is designed. Int6400 chip conforming to home play AV protocol is used to realize the design of power line carried part, and achieve home internet data transmission in the existing power line. At the same time, the use of AX88772B chip design USB/Ethernet conversion part, USB interface is used to receive network data. The technology of power carried communication can realize the condition that where there is power line,there is internet data.USB interface makes the system more universal, and the USB interface makes system have wider application.And the combination of the two methods can realize the portability and generalization of the network connection.

Key words：power line communication；USB；ethernet；HomePlug AV

作者簡介：趙麗（1962—），女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（61178081）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計劃重點項目（C14JCZDJC36300）.

收稿日期：2015-05-07

中圖分類號：TN915.05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095－0926（2015）03－0001－03