摘 要: 介紹了一種以AT89C52單片機(jī)為控制核心、以P300/P111電力線擴(kuò)頻載波通訊芯片為基礎(chǔ)的電力線載波通訊節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn),闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理,并指出了系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。 

    關(guān)鍵詞: 電力線載波  單片機(jī)  P300/P111芯片

    在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信非常重要。目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送系統(tǒng)都是基于雙絞線、同軸電纜或光纖等物理媒介進(jìn)行通訊。雖然這些通訊線路通信容量較大,但造價(jià)高、維護(hù)難。在一些危險(xiǎn)、有害的工業(yè)環(huán)境中,迫切需要一種簡(jiǎn)便的、易于維護(hù)的通信系統(tǒng)。 

    為此,在研制故障監(jiān)控系統(tǒng)中采用了電力線擴(kuò)頻載波通信的方案。該載波通信方案與其它通信方式相比有著特殊的優(yōu)勢(shì)。各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)只需聯(lián)到交流220V電力線上即可實(shí)現(xiàn)開放的通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單,易于維護(hù)。由于采用了擴(kuò)頻通信技術(shù),系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾和抗衰減能力,使其很有發(fā)展前途。系統(tǒng)中采用一種新器件SSC P300/P111來實(shí)現(xiàn)電力線載波通訊。 

1 系統(tǒng)的總體組成及其原理

    系統(tǒng)組成如圖1所示。它以單片機(jī)AT89C52為控制核心,控制SSC P300網(wǎng)絡(luò)接口控制器,實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號(hào)的轉(zhuǎn)換、接收符號(hào)到字節(jié)的轉(zhuǎn)換及CRC的產(chǎn)生和校驗(yàn)等。這里主處理器AT89C52先將命令和數(shù)據(jù)翻譯過來提供給用戶使用,并提供上層(包含應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層)的通迅協(xié)議。而SSC P300 IC則提供低級(jí)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 

    SSC P300與主處理器的接口通過一個(gè)5線的串行外圍接口(SPI)完成。SPI的數(shù)據(jù)輸入(SDI)和數(shù)據(jù)輸出(SDO)線允許數(shù)據(jù)由SSC P300傳出或傳至SSC P300時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)。主處理器還提供了PI數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCLK)來對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)序信號(hào)。SSC P300的服務(wù)請(qǐng)求由低電平有效的中斷信號(hào)(INT)來完成。SSC P300低電平有效的片選信號(hào)(CS)可將SPI接口置為有效或無效。而低電平有效的復(fù)位信號(hào)(RST)則由主處理器AT89C52提供。所有的主處理器AT89C52接口信號(hào)都與TTL電平兼容。 

    SSC P111媒介接口和電力線耦合部分完成緩沖放大、低通濾波和信號(hào)耦合等功能。模擬信號(hào)是通過信號(hào)入(SI)和信號(hào)出(SO)腳在SSC P300與通訊媒介(交流電力線、雙絞線等)之間進(jìn)行傳輸?shù)摹?nbsp;

    在發(fā)送模式下,SSC的chirps從SSC P300的SO腳傳輸?shù)絊SC P111的輸出放大器,此放大器由SSC P300的三態(tài)信號(hào)(TS)來決定其工作與否。一旦信號(hào)被放大,則輸出信號(hào)通過媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥ァＴ诮邮漳Ｊ较?模擬通訊信號(hào)通過外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器,此帶通濾波器可將頻率為100kHz～400kHz的信號(hào)傳輸?shù)絊SC P300的SI腳。 

2 發(fā)送模式電路原理

    在發(fā)送模式下,由SSC P300內(nèi)部產(chǎn)生的chirps波形輸出到SO管腳。此信號(hào)在被加到由Q1、R8、R9和R10組成的緩存放大器之前,需經(jīng)C9進(jìn)行交流耦合,經(jīng)R7、C12進(jìn)行濾波。為了在電力線上保證按照FCC規(guī)則進(jìn)行引導(dǎo)發(fā)射,需要對(duì)chirps信號(hào)進(jìn)一步濾波。在頻率為535kHz～1705kHz的范圍內(nèi),節(jié)點(diǎn)輸出處的失真和噪聲幅度必須小于1mV RMS。緩存放大器電路可以降低阻抗以正確驅(qū)動(dòng)由C13、C14,L1和R11組成的3極低通濾波器。 

    在預(yù)置濾波后,“chirps”信號(hào)通過C15進(jìn)行交流耦合,再傳輸?shù)絊SC P111功率放大器的信號(hào)輸入腳(TXI)。此功率放大器可將信號(hào)電壓幅度增至原來的2倍。信號(hào)從SSC P111 IC的TXO腳輸出,并被電感L2濾波。之后,信號(hào)通過C18進(jìn)行交流濾波,傳輸?shù)诫娏€耦合電路,最后到達(dá)電力線。 

3 接收模式電路原理

    從電力線上耦合進(jìn)來的chirp波信號(hào)首先經(jīng)過由圖1中的R13、C20、L3、C21、L4、C22和C23組成的無源六級(jí)LC構(gòu)造的外部帶通濾波器以實(shí)現(xiàn)帶外頻率波形衰減。經(jīng)過濾波后的輸入信號(hào)要經(jīng)由圖1中Q2、R14和R17組成的晶體管放大器進(jìn)行緩存。此放大器的信號(hào)增益為20dB。之所以定為這個(gè)值,是因它可以提供給節(jié)點(diǎn)峰—峰值為1mV的靈敏電壓。而其他增益值盡管可以提高節(jié)點(diǎn)的靈敏度,但卻同時(shí)降低了信號(hào)對(duì)噪聲的抗干擾度。圖1中R14和R15兩個(gè)電阻為放大器設(shè)定了直流偏移點(diǎn),將SSC P300 SI腳輸入的直流電平置為電源電壓的一半。同時(shí),它們還接在輸入濾波器的端點(diǎn)處,其阻值大約為900Ω。而作為雙二極管封裝的CR2則將加在SSC P300 SI管腳的信號(hào)固定于設(shè)備電源提供的電壓范圍內(nèi)。同時(shí)也為SSC P300提供了額外的瞬間高壓保護(hù)。 

4 電力線耦合保護(hù)模塊電路原理

    為了防止通訊線路上的瞬態(tài)作用對(duì)電路元器件造成永久性的損壞,一般電子產(chǎn)品內(nèi)都設(shè)有瞬態(tài)保護(hù)電路。本系統(tǒng)是為低壓電力線通信而設(shè)計(jì)的,其保護(hù)電路尤為重要,因?yàn)榈蛪弘娏€上的雷電和開關(guān)瞬態(tài)具有很高的幅值和快速上升時(shí)間,為此必需采用特殊的保護(hù)措施。 

    耦合保護(hù)電路主要由圖2中的100系列元件組成。變壓器T101對(duì)于100kHz～400kHz的擴(kuò)頻載波信號(hào)提供了一個(gè)線性的傳輸功能;電容C101限制了變壓器電流,以避免變壓器鐵芯的飽和;電阻R101在C101與電力線斷接后,可對(duì)其進(jìn)行放電,減輕由于C101中儲(chǔ)藏的高壓而帶來的損壞或破壞設(shè)備的可能性;穩(wěn)壓二極管D101和D102可用來穩(wěn)定加在SSC P300模擬支持電路上的電壓;而金屬氧化物變阻器MOV101則可以在電力線瞬間高電壓下提供保護(hù)。 

5 電力“三通”的實(shí)現(xiàn)及原理

    在系統(tǒng)中,每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)只有一根電源線與外界相連,功率和信號(hào)都從電源線走。所以,有效地隔離50Hz的工頻信號(hào)和100kHz～400kHz的掃頻波信號(hào)是實(shí)現(xiàn)這種“二線制”現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。圖3給出了電力“三通”的電路原理。50Hz的工頻信號(hào)和高頻的掃頻信號(hào)同時(shí)加到電路板的耦合輸入端。其中R101和C101組成了一個(gè)高通濾波器,將220V/50Hz的工頻信號(hào)隔離開。而100kHz～400kHz的掃頻信號(hào)則可以順利通過。信號(hào)經(jīng)高通濾波后再由一個(gè)12:12的高頻信號(hào)耦合變壓器耦合到內(nèi)部后續(xù)電路做進(jìn)一步的信號(hào)處理。事實(shí)上,該高頻耦合變壓器也是一個(gè)10kHz的高通。相應(yīng)地,耦合輸入端的高頻信號(hào)在經(jīng)過一個(gè)30W,220V/24V的電源變壓器T102(相當(dāng)于一個(gè)低通)后,部分高頻信號(hào)被濾掉。電感L102、L103和電容C103、C104、C105組成了一個(gè)電源濾波器,進(jìn)一步將功率信號(hào)上載有的高頻掃頻信號(hào)濾掉,從而得到干凈的24V電源輸出。該24V輸出經(jīng)整流、穩(wěn)壓后可輸出12V、9V、5V等各種不同等級(jí)的電壓供系統(tǒng)使用。 

6 應(yīng)注意的一些問題

    (1)時(shí)鐘接口問題。SSC P300的晶振輸出腳 (XOUT)和晶振輸入腳 (XIN)將片上Pierce類型的振蕩器與外部12MHz的晶振相連。另外,還需要一個(gè)1MΩ的電阻(R5),與之并聯(lián)的晶振(Y1)和一個(gè)33pF的電容將每個(gè)晶振腳與地相連。這些電容(C7、C8)的值需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以對(duì)印刷電路的布線電容進(jìn)行補(bǔ)償(±10pF)。 

    (2)布線的考慮。SSC P300的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在RF低頻,對(duì)微瓦等級(jí)信號(hào)進(jìn)行的操作。因此,對(duì)印刷電路板的精心布線就尤為重要了。對(duì)于SSC P300電源的旁路而言,必須與IC管腳盡可能靠近。且模擬信號(hào)地必須與模擬電源和數(shù)字信號(hào)地在物理上分開,而地線必須僅固定于一個(gè)管腳。 

    (3) SSC P111瞬間保護(hù)。由于SSC P111驅(qū)動(dòng)AC電力線,因而線上的瞬間電壓將會(huì)通過耦合電路返回到P111的輸出管腳上。在某些特定條件上,具有較大幅度或較大加速度的瞬間電壓會(huì)造成P111 IC的損壞,所以需要加上瞬間抑制電路以確保P111 IC的安全工作。 

    最后需要指出的是,電力線載波傳輸限于同一個(gè)電力變壓器供電范圍內(nèi),各單片機(jī)節(jié)點(diǎn)最好均接到同一相線上,這樣傳輸衰減小、傳距遠(yuǎn)、傳輸效果也較好。如果要在不同相之間傳輸數(shù)據(jù),則需要在相間跨接0.1μF耐壓630V以上的電容,實(shí)現(xiàn)跨相傳輸,但傳輸效果可能差很多。 

參考文獻(xiàn)

1 上海Waslin浩均科技有限公司.資訊光盤.