| 摘要：電力線載波通訊是一種低價(jià)方便、并可免除裝設(shè)專(zhuān)用通訊線路的通信技術(shù),文中介紹了利用Chirps掃描頻率進(jìn)行載波的擴(kuò)頻通訊技術(shù)和CEBUS總線的有關(guān)協(xié)議,給出了由SSC P300芯片構(gòu)成的電力線載波通訊電路在電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。 關(guān)鍵詞：電力線 載波 擴(kuò)頻通訊 CEBUS SSC P300 利用電力線（PL）進(jìn)行載波通訊可以實(shí)現(xiàn)電表、水表、煤氣表讀數(shù)的遠(yuǎn)程抄收,也可以用于電力負(fù)載管理和盜警、 火警的監(jiān)測(cè)。而用交流供電線作為通訊載體的主要困難是交流噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響以及信號(hào)的衰減。擴(kuò)頻通訊方式因其擴(kuò)頻載波信號(hào)的帶寬通常較大（幾十至幾百kHz）,且受干擾的頻率范圍所占比例相對(duì)減小,因此可較好地排除電力線上的隨機(jī)干擾。美國(guó)Intellon公司的SSC P300芯片由于在物理層中采用了獨(dú)特的快速同步擴(kuò)頻技術(shù),從而可使電力線通信以打包的形式調(diào)制于具有加速度的連續(xù)可變的載波之中,因此具有技術(shù)上的先進(jìn)性。SSC P300芯片按照標(biāo)準(zhǔn)的CEBUS總線協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì),具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層設(shè)計(jì),可以用10kbps的速率進(jìn)行信號(hào)傳輸。 1 擴(kuò)頻載波通訊技術(shù)和CEBUS總線 1.1 基于Chirps掃描頻率的載波技術(shù) 該技術(shù)利用一組掃描頻率作為載體,如圖1所示。該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續(xù)脈沖,又稱(chēng)作“chirps”,每個(gè)chirps一般持續(xù)100μs,它代表了最基本的單位通信符號(hào)時(shí)間（UST）。它可通過(guò)不同的UST組合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,其最大速率為10kbps。按照CEBUS標(biāo)準(zhǔn),這些信號(hào)頻率覆蓋了100～400kHz的帶寬。在Intellon公司的SSC P300芯片中,掃描總是以200kHz的頻率開(kāi)始和結(jié)束,也就是說(shuō)：400kHz和100kHz的頻率總是在每一個(gè)chirps的中間,這樣做的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行掃描信號(hào)的諧波抑制,并使數(shù)據(jù)傳輸中位與位之間的過(guò)渡變得比較平滑。 從圖1可以看出,chirps信號(hào)的線性掃描帶寬比信號(hào)帶寬要大得多,其線性加速度較高并有明顯的極性變化,而電力線上干擾的頻率加速度一般是不穩(wěn)定的,所以只要將接收電路的濾波器設(shè)計(jì)成只能通過(guò)特定加速信號(hào)的濾波電路,就可以有效地抑制干擾。同時(shí),該芯片利用振幅移位鍵控（ASK）和反相鏈控（PRK）兩種波形調(diào)制方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。因此,其擴(kuò)頻系統(tǒng)具有良好的抗電力線噪聲和抗頻率衰減性能。
另外,此種chirps波形具有很強(qiáng)的獨(dú)立性,所有連續(xù)在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形,而不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步。設(shè)備的應(yīng)答是靠設(shè)備址來(lái)區(qū)分的。由于采用了獨(dú)特的擴(kuò)頻技術(shù)并提供了快速同步,因而可利用電力線高速、可靠、實(shí)用地將數(shù)據(jù)以連續(xù)序列的比特傳輸于短幀之中。 1.2 CEBUS總線簡(jiǎn)介 CEBUS總線是專(zhuān)門(mén)為家用消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品通訊而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),又稱(chēng)作EIA-600協(xié)議。SSC P300芯片是該協(xié)議兼容的產(chǎn)品,它可以按照開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型提供鏈路功能和物理層的協(xié)議服務(wù)。其中數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)包含對(duì)通訊分組的發(fā)送與接收。對(duì)于發(fā)送的分組,可由字節(jié)向符號(hào)轉(zhuǎn)化,而對(duì)于接收到的分組,則可由符號(hào)向字節(jié)轉(zhuǎn)化。在CEBUS總線中,數(shù)據(jù)是以包的形式進(jìn)行傳遞的,也就是將用戶(hù)的較長(zhǎng)數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)較小的數(shù)據(jù)包,這樣就便于將發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)。另外,該協(xié)議提供了可靠的16位CRC校驗(yàn),因而可進(jìn)行糾錯(cuò)與檢錯(cuò)。系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)包就對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),并確定該數(shù)據(jù)是否有效。
一個(gè)典型的CEBUS數(shù)據(jù)包的格式如圖2所示,它總是以一個(gè)由通和斷組成的8位序列作為段首,該段首表征了一個(gè)數(shù)據(jù)包通訊的開(kāi)始,同時(shí)以一個(gè)16位的CRC校驗(yàn)作為結(jié)束,只有當(dāng)CRC校驗(yàn)通過(guò)以后,SSC P300芯片才認(rèn)為是接收到了一個(gè)正確的數(shù)據(jù),圖2中的LPDU表示的是真正需要通訊的數(shù)據(jù),它由控制字、目標(biāo)地址、源地址和應(yīng)用指令數(shù)據(jù)區(qū)（NPDU）組成,其中CEBUS總線沒(méi)有NPDU格式的詳細(xì)定義,用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)來(lái)定義本系統(tǒng)的指令集。在CEBUS總線中,同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)設(shè)備“講”,其它設(shè)備處于“聽(tīng)”的狀態(tài),聽(tīng)者只有地址匹配后才能按照用戶(hù)應(yīng)用指令的要求進(jìn)行相應(yīng)的操作,因此在任一設(shè)備傳輸時(shí),其它設(shè)備均不能發(fā)送,從而避免了通訊的沖突。
2 硬件電路設(shè)計(jì) 圖3所示為一個(gè)基于SSC P300的電力線載波通訊電路的原理圖,該電路主要由三部分組成：PM2300及電力線耦合電路、SPI控制線與單片機(jī)的接口電路以及單片機(jī)控制及通訊電路。 PM2300是將SSC P300和電力線接口有關(guān)的模擬電路封裝一起的12腳單列直插封裝的厚膜電路,使用PM2300可使電路設(shè)計(jì)更加方便,其原理框圖如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)接口微處理器是一個(gè)大規(guī)模專(zhuān)用IC,它包括數(shù)字信號(hào)處理電路（DSP）和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行總線SPI接口;數(shù)據(jù)接收電路在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖放大后,將載波信號(hào)從一個(gè)很寬的頻帶取出,再通過(guò)一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),最后通過(guò)開(kāi)關(guān)切換送入微處理器進(jìn)行分組解碼,從而實(shí)現(xiàn)最終的數(shù)據(jù)分組傳輸和有關(guān)協(xié)議功能;需要發(fā)送的分組則先從SPI接口傳輸?shù)絻?nèi)部的微處理器,再經(jīng)DSP處理來(lái)產(chǎn)生擴(kuò)頻載波（SSC）的低層數(shù)據(jù)信息,此信息可以驅(qū)動(dòng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生“chirp”的模擬波形,在三態(tài)開(kāi)關(guān)打開(kāi)期間,此波形將通過(guò)緩存放大后耦合到電力線上。 M4為680V的壓敏電阻,可以用來(lái)在電力線出現(xiàn)瞬間高壓時(shí)提供保護(hù)。M1為32V的瞬態(tài)電壓抑制器,用于穩(wěn)定加在SSC P300模擬支持電路上的電壓。B1為耦合變壓器,用于提供100～400kHz的擴(kuò)頻載波信號(hào)的線性傳輸通道,電容C30用于限制變壓器電流,以避免變壓器鐵芯的飽和。耦合變壓器采用高導(dǎo)磁率的鐵心繞制,原邊和副邊均為12匝,電感量約為0.25mH。 為了減小電路中的雜波干擾,電路中的單片機(jī)部分和P2300的有關(guān)部分采用了隔離電源。同時(shí),為了使PM2300的SPI接口和單片機(jī)進(jìn)行隔離,電路中還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了由HP2430組成的高速光電耦合中還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了由HP2430組成的高速光電耦合隔離電路。HP2300的輸入端采用施密特整形,同時(shí)加以電路和電容組成的脈沖整形網(wǎng)絡(luò),以使其波形可以高速準(zhǔn)確地進(jìn)行隔離傳輸。另外,電路中還采用AT89C51單片機(jī)來(lái)簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)。而用MAX706提供的系統(tǒng)復(fù)位和看門(mén)狗功能避免了系統(tǒng)的死機(jī)現(xiàn)象。MAX232E組成的標(biāo)準(zhǔn)串口用于實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的通訊。 3 軟件設(shè)計(jì) PM2300的命令和數(shù)據(jù)可通過(guò)SPI接口并按照相關(guān)的一分為命令協(xié)議進(jìn)行發(fā)送與接受,它共有7種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和16條指令,可用于實(shí)現(xiàn)主處理器和載波通訊芯片之間CEBUS功能。具體的命令說(shuō)明和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以參照P300的使用手冊(cè),特別需要注意的是：在進(jìn)行SPI通訊時(shí),由于單片機(jī)使用的是P1口線進(jìn)行時(shí)序的模擬操作,因此在進(jìn)行口線操作時(shí),必須嚴(yán)格遵守P300給出時(shí)序圖,因?yàn)闀r(shí)序的錯(cuò)誤將會(huì)造成通訊的失敗。 本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通訊操作模式設(shè)定為UNACK的數(shù)據(jù)鏈路模式,完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收的基本過(guò)程如下： （1）初始化各節(jié)點(diǎn),也就是寫(xiě)LAYER-CON-FOG-ONFO的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的地址。 （2）根據(jù)對(duì)INTERFACE-FLAG的各標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)判定系統(tǒng)的通訊狀態(tài)。 （3）根據(jù)所要求的時(shí)序來(lái)發(fā)送TRANSMIT-HEADER-IN-FO和TRANSMIT-NPDU-FIELD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在發(fā)送完成后,PM2300中的中斷引腳的輸出會(huì)變低,電路可以據(jù)此進(jìn)入標(biāo)志位處理子程序,并通訊標(biāo)志位判定系統(tǒng)是否通訊成功。 （3）接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),中斷引腳的輸出同樣會(huì)變低,然后可通過(guò)中斷子程序處理相應(yīng)的標(biāo)志位,再用讀命令取回?cái)?shù)據(jù)。 該系統(tǒng)初始化的流程圖如圖5所示,圖中包含了詳細(xì)的時(shí)序操作,可據(jù)此寫(xiě)完整的程序。其他的數(shù)據(jù)處理程序也可以仿照寫(xiě)出。 4 SSC P300應(yīng)用 該通訊電路已成功地用在某電力線載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)中,它較好的解決了電力線載波傳輸中的數(shù)據(jù)易受干擾和通訊速率的問(wèn)題,同時(shí)可用較低的成本實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的電力線載波通訊。在中等線況下,傳輸距離可達(dá)到500m。該通訊電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是仍局限于同一個(gè)主變壓器下,這在一定程序下限制了應(yīng)用的范圍。 |
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