電力線載波通信實驗平臺設(shè)計

范 迪, 陳之坤, 婁 猛, 呂常智, 張玉萍

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院, 山東 青島 266590)

在電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、自動化、電氣工程等電類的專業(yè)中,通信實驗是一個重要的實驗教學(xué)內(nèi)容[1]，所涉及的內(nèi)容主要有串行異步、紅外、以太網(wǎng)、CAN、232、485、Modbus、Profibus、ZigBee、WiFi、2.4G等。電力線載波通信(power line communication,PLC)是以電力線作為傳輸媒介,通過載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的一種通信方式[2],在路燈控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程自動抄表、園區(qū)節(jié)能管控等方面有著廣泛應(yīng)用[3-5]。然而，作為一種不需要專用傳輸媒介的通信方式[6],在本科專業(yè)的實驗教學(xué)中尚缺少電力線載波通信實驗平臺。為此,課程組帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計了一個電力線載波通信實驗平臺[7]。該平臺不僅涉及電力線載波通信的原理,還融合了電子、電路、單片機、接口、C語言等方面的技術(shù),對學(xué)生是個很大的鍛煉?；诖似脚_,課程組還設(shè)計了實驗項目,先后數(shù)屆學(xué)生在此平臺上進(jìn)行了電力線載波通信實驗,了解了這種通信技術(shù)的特點,拓展了知識面,鍛煉了實踐能力[8-9]。

1 實驗平臺硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框圖和工作原理

實驗平臺包括接收端和發(fā)送端兩部分(見圖1)。發(fā)送端和接收端硬件電路基本相同,只是在軟件上,接收端具有開關(guān)輸入功能,發(fā)送端具有控制輸出功能。

圖1 實驗平臺整體結(jié)構(gòu)

發(fā)送端CPU由輸入接口讀取開關(guān)輸入量,編碼后發(fā)送給載波通信模塊調(diào)制,之后由耦合電路傳送到電力線上。接收端通過耦合電路接收載波信號,載波通信模塊對之解調(diào)后傳送給單片機處理,最終顯示在LED顯示器。

1.2 主控模塊硬件設(shè)計

主控模塊是以單片機AT89S52為核心[10],外加復(fù)位、時鐘等組成,如圖2所示。單片機AT89S52主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個通信系統(tǒng)的工作,包括采集端口信息,控制載波的收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示和輸出控制信號等。

圖2 主控模塊電路

1.3 載波通信模塊及其外圍電路設(shè)計

載波通信模塊主要由主控電路、發(fā)送/接收電路組成。

在發(fā)送時,主控電路與CPU進(jìn)行串口通信,接收其擬發(fā)送的數(shù)據(jù)后,對之進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送給載波發(fā)送模塊,經(jīng)由耦合電路發(fā)送到電力線上。接收時,耦合電路從電力線上獲取載波信號,發(fā)送給載波接收電路進(jìn)行濾波,主控模塊對之進(jìn)行解調(diào)并通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給實驗平臺CPU。

主控電路采用深圳瑞斯康公司的RISE3501芯片,其電路如圖3所示。RISE3501符合EIA-709.1和EIA-709.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,內(nèi)核為FR8052,其內(nèi)部集成了Packet Assembly、脈沖整型濾波器(pulse shaping filter)、BPSK調(diào)制、數(shù)字濾波器(digital filter)以及DAC (digital to analog converter)[11]。外圍電路主要有時鐘電路、復(fù)位電路和指示燈電路。載波頻率可被配置131.579 kHz、105.263 kHz、86.207 kHz、72.993 kHz,默認(rèn)的載波頻率以及載波速率分別為131.579 kHz和5.48245 kbit/s。RISE3501電力線數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)11 kbit/s[12]。

1.4 收發(fā)電路設(shè)計

載波發(fā)送電路如圖4所示,其主要功能是把RISE3501輸出的模擬信號進(jìn)行功率放大和濾波后經(jīng)由信號耦合電路耦合到電力線上。載波發(fā)送電路的工作電壓為15 V,RISE3501輸出信號電平約1.34 Vpp,發(fā)送電路空載下的輸出可達(dá)10 Vpp,實際輸出信號幅值會隨負(fù)載變化而變化[13]。

圖3 RISE3501及其外圍電路

圖4 載波發(fā)送電路

載波接收電路如圖5所示,它接收來自電力線的符合EIA-709.2協(xié)議的載波信號,對之進(jìn)行濾波和自動增益控制后傳送至RISE3501。其中三階帶通無源濾波器可濾除載波頻段以外的信號。自動增益控制可根據(jù)信號的大小自動調(diào)節(jié)增益,當(dāng)信號過大時,在CAGC控制下可對信號進(jìn)行20 dB的信號衰減[14]。

圖5 載波接收電路

1.5 耦合電路設(shè)計

耦合電路(見圖6)要實現(xiàn)電力線與平臺電路部分的“一通一斷”作用,即暢通載波信號,阻斷工頻交流電[15]。

耦合電路的輸入端串接高壓電容通過高頻載波信號,利用1∶1的耦合線圈把載波信號感應(yīng)到弱電側(cè),起隔離高壓作用。其中瞬變二極管的作用是防止快速沖擊,保護(hù)后端電路。

圖6 耦合電路

2 實驗平臺軟件設(shè)計

平臺軟件分為發(fā)送端和接收端兩部分。接收端軟件如圖7所示,主要實現(xiàn)模塊初始化、開關(guān)量掃描、發(fā)送數(shù)據(jù)和顯示等。發(fā)送端軟件如圖8所示,主要實現(xiàn)模塊配置初始化、讀取數(shù)據(jù)、顯示、輸出控制信號等功能。

圖7 接收端主程序流程圖

圖8 發(fā)送端主程序流程圖

3 基于平臺的實驗內(nèi)容設(shè)計

3.1 主要功能電路的仿真

對實驗平臺中的關(guān)鍵電路進(jìn)行仿真實驗,使學(xué)生掌握電路原理及電路分析方法、熟練使用仿真工具。

耦合電路、載波收發(fā)電路是實驗平臺最主要的部分。該實驗過程是先讓學(xué)生學(xué)習(xí)電路原理和各器件、模塊的功能,再利用Multisim平臺進(jìn)行仿真,通過分析仿真結(jié)果理解電路的原理[16]。圖9是主要電路的仿真結(jié)果。

圖9 主要電路仿真結(jié)果(輸入50 Hz交流信號)

3.2 部分模塊調(diào)試

利用示波器及軟件調(diào)試工具,對載波收發(fā)模塊涉及的軟硬件電路進(jìn)行調(diào)試或測試,使學(xué)生理解調(diào)試方法和過程,有針對性地強化掌握核心模塊的工作原理。圖10是實測收發(fā)信號波形,左圖是發(fā)送波形,右圖是接收波形。

圖10 實測收發(fā)信號波形

此外,還通過串口調(diào)試助手,讓學(xué)生在線完成對載波模塊的配置,借此使學(xué)生掌握載波芯片的硬件接口及使用方法。

3.3 實地整機實驗

在實驗樓及周邊選擇了6個實驗點,借助電力線進(jìn)行雙向通信,實驗點間的通信測試情況如圖11所示。實驗點⑤設(shè)在學(xué)院樓的外部,①—⑤、④—⑤間通信測試時通信介質(zhì)采用的長230 m的電纜。測試時,發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)上千次,接收端接收數(shù)據(jù)的成功率在99%以上。通過實地實驗,學(xué)生對電力線載波通信的原理、優(yōu)勢和接線問題有了深刻的認(rèn)識。

圖11 實驗點間的通信情況

4 結(jié)語

電力線載波通信是一種比較獨特的通信方式?；陔娏€載波通信實驗平臺和3個層次的實驗內(nèi)容,形成了從部分到整體、從虛擬到真實、從原理到實物的環(huán)環(huán)相扣、步步遞進(jìn)的實驗過程,使學(xué)生在實驗過程中熟練掌握軟件編程、電路仿真、電路設(shè)計和制作等方面的知識和技能。