摘? 要： 介紹了基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用擴頻" title="擴頻">擴頻電力線載波" title="電力線載波">電力線載波通信技術(shù)實現(xiàn)了對鐵路燈塔的自動控制。給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實現(xiàn)方法,并介紹了可推廣應(yīng)用的場合。

　　關(guān)鍵詞: CEBus總線? 擴頻? 電力線載波

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1 系統(tǒng)介紹

　　鐵路沿線的各站點都裝設(shè)有用于照明的大型燈塔。目前對燈塔的控制一般采用集中控制方式,在控制室中使用多個閘刀對燈塔進(jìn)行一對一控制。因燈塔和控制室常位于鐵路兩側(cè),所以施工較困難,而且電纜的投資大,自動化水平也不高。采用電力線載波通信技術(shù),在現(xiàn)成的電力線路上傳輸數(shù)據(jù),無需裝設(shè)通信線路,也不占用無線通信頻道資源,可很好地解決這個問題。但由于電力線上存在高衰減、高噪聲、高變形等問題,它不是一個理想的通信媒介。因此要在電力線上實現(xiàn)可靠的載波通信,必須選用基于擴頻技術(shù)的抗干擾能力強的電力線載波專用Modem芯片來設(shè)計鐵路燈塔控制系統(tǒng)。

　　鐵路燈塔控制系統(tǒng)由一個主站和若干個子站構(gòu)成,主站和子站掛接在單相或三相低壓電力線上。主站安裝于控制室內(nèi),子站安裝于各燈塔底座的控制箱內(nèi)。主站和子站以擴頻電力線載波通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

????系統(tǒng)中主站和子站的載波通信網(wǎng)絡(luò)接口控制器選用美國Intellon公司的SSCP300芯片。該芯片是一個高度集成的電力線收發(fā)器和信道存取接口,提供了CEBus(用戶電子總線)總線標(biāo)準(zhǔn)。CEBus是EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)制定并頒布的一種通信標(biāo)準(zhǔn),目前為EIA-600。CEBus標(biāo)準(zhǔn)是一種應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的開放式通信協(xié)議,采用節(jié)點到節(jié)點的通信方式,數(shù)據(jù)傳輸速率為10kbps。CEBbus協(xié)議采用ISO/OSI協(xié)議中的四層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。一個CEBus信息由報頭和數(shù)據(jù)包組成,如圖1所示。報頭是載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CDCR)協(xié)議的一部分,發(fā)送方用它來監(jiān)聽傳輸介質(zhì)中是否有其它發(fā)送方占用信道,以獲取對傳輸通道的控制權(quán)。CEBus采用擴頻載波(SSC)技術(shù),形成“Chirp”掃頻信號,對報頭采用ASK調(diào)制,數(shù)據(jù)包采用PRK調(diào)制,頻率范圍為100kHz～400kHz。

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2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)

　　主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　主站以PIC16F877單片機為核心，由指示、鍵盤、RS232接口、在線編程接口、通信接口" title="通信接口">通信接口等單元組成。指示單元用74LS164串/并轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn),接到PIC16F877單片機的RB5和RB4引腳。鍵盤單元用74LS165并/串轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn),接到PIC16F877單片機的RA3、RA4和RA5引腳。主站定義了具有如下功能的按鍵:(1)一個燈塔的東西南北燈組選擇;(2)子站地址選擇;(3)鎖鍵盤;(4)運行命令。在線編程接口單元利用PIC16F877單片機的/MCLR、RB3、RB6、RB7四個引腳對CPU的在系統(tǒng)程序及定值進(jìn)行修改。主站利用MAX202實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS232通信接口,可與上位監(jiān)控PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,也可外接Modem來實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

　　子站由PIC16F877單片機、指示、在線編程接口、固態(tài)繼電器出口、地址編碼、通信接口等單元組成。地址編碼用于設(shè)置本子站的地址碼,用一個八位開關(guān)與PIC16F877單片機的RD口連接,共有256個編碼。每個子站裝有四個固態(tài)繼電器,用于開啟和關(guān)閉一個燈塔的東西南北四個方向的燈組。

2.2 通信接口

　　主站和子站的通信接口原理如圖3所示。

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　　SSCP300網(wǎng)絡(luò)控制器提供了一個與SPI兼容的主處理器接口,將PIC16F877的RC3(SCK)、RC4(SDO)、RC5(SDI)引腳定義為用于SPI串行通信,分別與SSCP300的SCLK、SDI、SDO連接。SSCP300的片選信號/CS、復(fù)位信號/RST及中斷信號/INT分別連接至PIC16F877的RB3、RB2及RB1引腳。由SSCP300產(chǎn)生的“Chirp”波形輸出到其SO管腳,經(jīng)放大、三級濾波、SSCP111媒介接口IC放大后,被傳輸?shù)诫娏€耦合電路并送至電力線。由電力線經(jīng)耦合電路來的“Chirp”波形經(jīng)無源六級LC構(gòu)成的濾波器后,被傳輸?shù)絊SCP300的SI引腳。耦合電路采用鐵氧體磁環(huán)作為耦合變壓器的磁芯,變比為1：1,初次級線圈的匝數(shù)均為7。采用TVS來抑制較大幅度或較大加速度的瞬間電壓。

3 軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),主要包括初始化模塊、輸出控制模塊、鍵盤掃描模塊、通信模塊等。整個軟件分為主站軟件和子站軟件兩部分。下面以通信模塊軟件的設(shè)計為例來說明程序設(shè)計方法。

　　SSCP300向與之連接的PIC16F877單片機提供CEBus服務(wù)。PIC16F877單片機通過SPI接口對SSCP300進(jìn)行初始化、層信息設(shè)置、數(shù)據(jù)鏈路的存取控制設(shè)置等操作。完成以上步驟后,可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

PIC16F877單片機與SSCP300間各種形式的數(shù)據(jù)交換由控制命令來實現(xiàn)。常用的控制命令、十六進(jìn)制碼及功能如表1所示。一般情況下,命令后緊跟數(shù)據(jù)長度" title="數(shù)據(jù)長度">數(shù)據(jù)長度,接著為數(shù)據(jù)信息。

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3.1 SSCP300的初始化

　　當(dāng)電源接通或執(zhí)行復(fù)位命令時,SSCP300將執(zhí)行一個內(nèi)部診斷和建立序列。直到此序列被執(zhí)行完畢,命令才能被送至SSCP300。在對SSCP300進(jìn)行初始化之前,PIC16F877要完成I/O口的初始化、片內(nèi)RAM初始化以及SPI接口的初始化。

3.2 層信息設(shè)置

　　初始化完成后可進(jìn)行層信息設(shè)置。層信息設(shè)置的數(shù)據(jù)長度為7個字節(jié),字節(jié)0為控制方式,一般設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路(DLL)方式;字節(jié)1為組地址的低八位;字節(jié)2為組地址的高八位;字節(jié)3為設(shè)備地址的低八位;字節(jié)4為設(shè)備地址的高八位;字節(jié)5為系統(tǒng)地址的低八位;字節(jié)6為系統(tǒng)地址的高八位。在設(shè)置地址時應(yīng)注意某些段內(nèi)的地址為保留地址,不要使用,如0x0000為廣播地址。

　　在層信息設(shè)置的過程中,首先單片機向SSCP300寫入LW命令及數(shù)據(jù)長度“0X07”,然后確定好0～6字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。層信息設(shè)置完成后,應(yīng)用LR命令讀回,判斷讀回信息與寫入信息是否一致。如果一致則說明設(shè)置成功,否則應(yīng)重新初始化后再設(shè)置層信息。

3.3 數(shù)據(jù)鏈路存取控制設(shè)置

　　若節(jié)點之間的通信采用地址應(yīng)答方式ADRACK或地址非應(yīng)答方式ADRUACK,則應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路存取控制設(shè)置,由命令WRS-46來實現(xiàn),數(shù)據(jù)長度為1。可設(shè)置的內(nèi)容為:(1)在主處理器的每個發(fā)送期內(nèi)需要發(fā)送ADRUACK的次數(shù);(2)在信道間存取的時間;(3)對于ACK和ADRUACK,是否需要嘗試多信道存取。

3.4 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　　數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由命令PT和PR來實現(xiàn)。單片機送出PT命令后,接著送出數(shù)據(jù)長度、控制域、目標(biāo)節(jié)點的設(shè)備和系統(tǒng)地址、源節(jié)點的設(shè)備和系統(tǒng)地址、數(shù)據(jù)信息等。應(yīng)答或非應(yīng)答通信方式由控制域決定。源節(jié)點地址應(yīng)和初始化的地址一致,數(shù)據(jù)長度不超過32字節(jié)。發(fā)送完成后應(yīng)讀回標(biāo)志位,判斷是否發(fā)送成功。當(dāng)SSCP300接收到有效數(shù)據(jù)幀時,將向單片機提供一個中斷信號,單片機檢測到該信號后發(fā)出PR命令,讀回SSCP300接收到的數(shù)據(jù)幀,其格式與發(fā)送數(shù)據(jù)幀類似。接收完成后也應(yīng)進(jìn)行正確性判斷。

　　基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)采用“Chirp”方式進(jìn)行載波,實現(xiàn)了對通信信號的擴頻;以低壓電力線作為通信媒介,免去了構(gòu)建新的通信信道的不便,具有通信速度快、抗干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點。該技術(shù)還可應(yīng)用在自動抄表系統(tǒng)、智能大廈、智能小區(qū)以及一些干擾大、布線困難的工業(yè)自動化系統(tǒng)中。

　　由于電力線不是一種理想的通信媒介,所以在應(yīng)用時應(yīng)考慮到以下幾點:(1)電力線載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。若要跨越變壓器區(qū)域范圍,則應(yīng)設(shè)計一個雙耦合節(jié)點。(2)信號在電力線上傳輸存在衰減問題,一般信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加。可采用提高載波信號功率、三相耦合、中繼等方式來解決。(3)電力線上存在高噪聲。(4)電力線網(wǎng)絡(luò)會引起數(shù)據(jù)信號變形。

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參考文獻(xiàn)

1 SSCP300 PL Network Interface Controller Technical Data Sheet. Intellon Corporation， 1998

2 SSCP111 PL Media Interface IC Technical Data Sheet.?Intellon Corporation， 1998

3 PIC16F8XX Technical Data Sheet. Microchip Corporation，?2000

4 Website： www.microchip.com