電力供應(yīng)系統(tǒng)被劃分為三個(gè)等級(jí):高壓級(jí)(110 kV～380 kV)、中壓級(jí)(10 kV～30 kV)和低壓級(jí)(0.4 kV)，不同的電壓等級(jí)間通過變壓器互連，目前低壓電力線通信(在一個(gè)變壓器范圍內(nèi)）用得比較多，但通信距離有限。對(duì)于主要用于數(shù)據(jù)通信的高載頻來說，變壓器是一道“天然的”障礙，這就導(dǎo)致一個(gè)必然的隔離，因此,要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信就必須解決高壓線與低壓線之間(跨變壓器)的信息傳輸問題^[1]。隨著高性能電力線載波芯片的推出，使模擬信號(hào)(本文主要是指音頻信號(hào))轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)變成了現(xiàn)實(shí)，并且通過成熟的藍(lán)牙技術(shù)，可以使變壓器在遠(yuǎn)程電力線通信中不再是不可逾越的鴻溝。
    本文以藍(lán)牙技術(shù)和電力線載波技術(shù)為基礎(chǔ)，選用適當(dāng)?shù)墓δ苄酒O(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍電路，以解決跨變壓器的信號(hào)傳輸問題，為遠(yuǎn)程電力線通信提供了一種可行的方案。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要由音頻輸入、電力線載波modem模塊、電力線接口電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙收發(fā)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊及音頻輸出等部分組成, 如圖1所示。

1.2 各個(gè)模塊主要組成
    (1)音頻輸入：主要進(jìn)行音頻信號(hào)的采集，利用語音信號(hào)編解碼芯片TLV320AIC10收集由話筒發(fā)送的音頻信號(hào)再加載到電力線載波modem模塊上[2]。
    (2)電力線載波modem模塊：采用美國國家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的高性能電力載波芯片LM1893。LM1893采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，內(nèi)置自動(dòng)電平控制(ALC)電路及可選擇的脈沖噪聲濾波器，傳輸出功率很容易提升10倍，載頻范圍在50 kHz～300 kHz之間可任意選定，接收靈敏度達(dá)2 mV，可驅(qū)動(dòng)任何常規(guī)電力線，可以進(jìn)行半雙工數(shù)據(jù)通信。
    (3)電力線接口電路：電力線接口PLI(Power Line Interface)是電力線載波系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，主要由保護(hù)電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，目的是把LM1893同電力線隔離，在電力線上加載或析取信號(hào)。
    (4)A/D轉(zhuǎn)換模塊：由于數(shù)字信號(hào)在電力線上傳輸波形失真較大，因此利用電力線傳輸模擬信號(hào)是最為普遍的。因?yàn)樗{(lán)牙模塊只能接收數(shù)字信號(hào)，這就需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中選用的是AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
    (5)單片機(jī)控制模塊：控制模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換模塊及藍(lán)牙收發(fā)模塊等，選用的是Intel 公司的AT89C51單片機(jī)。
    (6)藍(lán)牙收發(fā)模塊：選用芬蘭BLUEGIGA公司推出的WRAP THOR 2022-1藍(lán)牙模塊，它是一款適合于短距離無線通信的射頻/基帶模塊，集成度高、功耗小[3]。
    (7)D/A轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)字信號(hào)由藍(lán)牙接收模塊發(fā)送給單片機(jī)控制模塊，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)才能加載到電力線上最后到輸出端。本文選用的是8 bit DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
    (8)音頻輸出：是音頻輸入模塊的逆過程，利用語音信號(hào)編解碼芯片TLV320AIC10解碼D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬信號(hào)并將其輸出到耳機(jī)，至此完成了整個(gè)系統(tǒng)的音頻輸出。
1.3 系統(tǒng)功能
     如圖1所示，在信號(hào)的發(fā)送端,音頻信號(hào)(模擬信號(hào))經(jīng)電力線modem LM1893調(diào)制為100 kHz以上的高頻調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)接口電路（含插頭、保護(hù)電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等）進(jìn)入電力線。電力線modem與電力線隔離開，以免受到瞬時(shí)過電壓的干擾，并且具有讓高頻信號(hào)通過、同時(shí)過濾掉電力線上工頻信號(hào)的功能，以此保證通信的質(zhì)量[4]。當(dāng)調(diào)制信號(hào)在電力線上進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、并傳輸?shù)阶儔浩鲿r(shí)，在變壓器的一側(cè)（信號(hào)發(fā)送端），先通過電力線接口將調(diào)制信號(hào)傳到LM1893芯片，再將LM1893的音頻輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，然后單片機(jī)將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送入藍(lán)牙發(fā)射模塊；同時(shí)，單片機(jī)將藍(lán)牙接收模塊接收到的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，再經(jīng)LM1893調(diào)制成同樣頻率的高頻調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)接口電路進(jìn)入變壓器另一側(cè)的電力線（信號(hào)接收端），該調(diào)制信號(hào)經(jīng)過接收端的接口電路進(jìn)入LM1893并還原成原始模擬音頻信號(hào)，再由音頻輸出模塊輸出，從而實(shí)現(xiàn)了跨變壓器的遠(yuǎn)程音頻信號(hào)傳輸。上述過程全部在單片機(jī)的控制下完成。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 音頻輸入/輸出電路
    TLV320AIC10是TI公司推出的一款16 bit通用編解碼器，非常適合應(yīng)用于有線調(diào)制解調(diào)器以及低碼率、高質(zhì)量的語音壓縮、語音增強(qiáng)和語音識(shí)別與合成[5]。該電路主要完成音頻信號(hào)的采集和輸出，如圖2所示。

2.2 電力線載波modem模塊
    電力線載波modem LM1893采用18腳DIP封裝， 由正弦波成形器、收發(fā)選擇控制器、輸出功率放大器、鑒相器、比較器、限幅器、RC低通濾波器、偏移抵消電路、脈沖噪聲濾波器、自動(dòng)電平控制電路ALC、鎖相環(huán)路(PLL)、電流控制振蕩器(ICO)及調(diào)制器(MOD)等部分組成。圖3為LM1893的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路[6]。在圖3中:
    (1)LM1893的收發(fā)控制腳（5腳）輸入高電平時(shí)，LM1893工作于發(fā)送模式。89C51 CPU將數(shù)據(jù)從TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端輸送到LM1893的17腳，然后數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制器（MOD）調(diào)制后變成受控電流信號(hào)，送入電流控制振蕩器（ICO），形成頻率受電流控制的三角波，再經(jīng)正弦波形成電路形成正弦波，通過自動(dòng)電平控制（ALC）電路和輸出功率放大器（OUTPUT AMP）后輸出幅度穩(wěn)定、頻率受調(diào)于輸入信號(hào)的正弦波信號(hào)，從10腳輸出信號(hào)，經(jīng)選頻諧振網(wǎng)絡(luò)送入電力線中。
    (2)當(dāng)LM1893的收發(fā)控制腳(5腳)處于低電平時(shí)，LM1893工作于接收模式。由電力線接口電路送來的高頻信號(hào)從10腳送入內(nèi)部限幅器經(jīng)過限幅放大和濾波后，送入鎖相環(huán)路(PLL)，解調(diào)后經(jīng)阻容低通濾波器進(jìn)行環(huán)路濾波，進(jìn)入電平偏移抵消電路濾除直流分量，經(jīng)比較器判別后得到數(shù)字信號(hào)，通過脈沖噪聲濾波器濾除脈沖尖峰干擾后從12腳輸出到89C51 CPU的RXD。發(fā)送/接收的載波頻率由相應(yīng)的外圍元件參數(shù)確定，改動(dòng)這些參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)載波頻率的大小。

2.3 電力線接口電路
    電力線接口電路主要由保護(hù)電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，其中信號(hào)耦合電路如圖4所示[7]。
    信號(hào)耦合網(wǎng)絡(luò)采用磁芯變壓器，既實(shí)現(xiàn)了隔離傳輸，又能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，還可做成諧振回路，以削減頻帶外的干擾并衰減尖峰[8]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
    在本系統(tǒng)中,89C51的P0口與AD574的低8位和74LS737相接，一方面讀取A/D變換后的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過74LS737發(fā)送控制信號(hào)控制A/D574的運(yùn)行[9]。轉(zhuǎn)換過程的結(jié)束與否可采用中斷方式控制，也可設(shè)定為查詢方式。本系統(tǒng)采用的是中斷方式，以AD574的STS為中斷請(qǐng)求信號(hào)接至AT89C51的INT0腳，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，STS變?yōu)榈碗娖剑珹T89C51響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完再回到原來狀態(tài)，等待下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，如圖5所示[10]。

2.5 藍(lán)牙收發(fā)模塊
    藍(lán)牙技術(shù)是一種新型的短距離無線通信技術(shù)[11]。本文中所介紹的藍(lán)牙模塊WRAP THOR 2022-1包含5個(gè)功能模塊：射頻補(bǔ)充控制單元、藍(lán)牙核心芯片組、閃存、電源管理模塊、時(shí)鐘，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

    單片機(jī)和藍(lán)牙模塊可以通過USB、UART和RS_232接口來連接,本設(shè)計(jì)中采用UART接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)89C51與藍(lán)牙模塊的連接[12]。藍(lán)牙模塊的RXD和TXD端分別接單片機(jī)的TXD和RXD端，利用藍(lán)牙芯片的無線收發(fā)功能來解決信號(hào)跨變壓器傳輸?shù)膯栴};利用藍(lán)牙芯片有串行接口的特點(diǎn)，將音頻信號(hào)經(jīng)過一系列調(diào)制傳送到藍(lán)牙的音頻接口，再由發(fā)送芯片送往接收芯片，最后傳送到音頻放大器上。
2.6 D/A轉(zhuǎn)換模塊
    為了將藍(lán)牙接收芯片的數(shù)字信號(hào)送到電力線上，D/A轉(zhuǎn)換電路需要D/A轉(zhuǎn)換電路。本文選用DAC0832芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路如圖7所示[13]。圖中使用了運(yùn)算放大器LM324A將DAC0832的電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出[14]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要分音頻輸入/輸出模塊、電力線modem模塊兩部分，其組成框圖如圖8所示。

    音頻輸入/輸出模塊軟件包括初始化和數(shù)據(jù)的收發(fā)。電力線modem模塊的軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)LM1893接口進(jìn)行初始化。
    本文以藍(lán)牙技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)為手段，通過選用適當(dāng)?shù)墓δ苄酒霸O(shè)計(jì)相應(yīng)功能電路，同時(shí)經(jīng)過硬、軟件的雙重調(diào)試，為實(shí)現(xiàn)在電力線上遠(yuǎn)程音頻信號(hào)傳輸提出了一種可行方案。
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