基于嵌入式系统的电力线载波通信接口设计

摘要：电力线通信存在信号衰减快、线路阻抗经常波动等诸多问题，使得通过电力线通信有较大的困难，PL2000A型电力线扩频载波通信专用电路能为此类问题提供较好的解决方案。介绍基于嵌入式系统和PL2000A的载波通信功能的应用接口，分析基于该电路的低压电力线载波通信应用的设计原理，给出相应的电路图和部分软件代码。
关键词：HL2000A；低压电力线；载波通信；嵌入式系统接口；调制解调器

l 概述
    作为世界上最大的网络，电力线网络的主要功能是输送电能。但是，随着信息技术的发展，基于电力线路的通信成为近年的热门话题。利用电力线来实现通信对于电力自动化系统设备之间的通信和现代电能计量管理将起重要作用，目前国内和国外都有一些成功的应用实例，现在应用较多的是基于电力线载波通信的自动抄表系统。另外，对电能数据的采集和传输、对电力设备的监控和保护，以及电能的优化调度等也可以借助电力线通信来实现。基于载波技术的电力线通信已成为目前电力系统智能化通信的发展方向之一。

2 电力线载波通信的方式和特点
    电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理等特点，是惟一不需要线路投资的有线通信方式。
    电力线通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220 V或其他交/直流电力线甚至是没有电力的双绞线上。电力线载波通信不仅提供了实用的新兴通信手段，而且具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点，显示出了良好的前景和巨大的市场潜力。
    电力线通信的关键是如何保证在电力线上长距离可靠通信。在电力线上通信存在以下问题：电力线间歇性噪声较大(某些电器的启动、停止和运行都会产生较大的噪声)；信号衰减快；线路阻抗经常波动等等。这些问题使电力线通信非常困难。电力线载波通信的关键是功能强大的电力线载波专用电路。目前,采用PL2000A型电力线收发器(或调制解调器)等专用电路能提供较好的解决方案。

3 PL2000A简介
    PL2000A是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器，是PL2000型的升级产品。它由+5V单电源供电，用一种外部接口电路与电力线耦合。PL2000A除具备原有系统基本的通讯控制功能外，还内置5种常用功能电路：实时时钟电路、32Bytes的SRAM、电压监测器、看门狗定时器及复位电路,它们都通过标准的I2C接口与外部的微处理器相连，其中时钟和32 Bytes SRAM在主电源掉电的情况下可由3 V备用电池供电。PL2000A是特别针对我国电力网恶劣的信道环境所研制开发的低压电力线载波通信电路，信噪比及数据传输性能比PL2000有大幅度的提高，同时数据传输速率提升了一倍(500 b/s)。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成、二相相移键控等新技术，还具有120 kHz的载频，15 kHz的带宽，0.5 mVrms(500 b/s)的接收灵敏度，15位伪码长度和可编程同步捕获门限的功能，以及大规模数字/模拟混合0.5μm CMOS工艺，所以抗干扰、抗衰减性价比等更加突出。

4 扩频通信的原理
    扩频通信技术是利用与欲传输数据(信息)无关的码对被传输的信号扩展频谱，使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽，在接收机中利用同一码进行相关接收和恢复数据。从著名的Shnaon公式可知，在白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量可用下式表示：

   
    其中，B为信道带宽，S为信号平均功率，N为噪声平均功率，若白噪声功率谱密度为No，则

   
    对于干扰环境下的典型情况,S/N<<1，应用幂级数展开，则可得：

   
    这说明对于给定的信道容量而言，既可用增大信道带宽同时相应降低信噪比的办法达到，又可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的办法来实现，也就是说信道容量可以利用信道带宽与信噪比的互换而保持不变。从理论上讲，对于任意给定的信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，就可以增加在信道中无误差传输的信息速率。

5 电力线载波通信系统的设计原理
    采用PL2000A的低压电力线载波通信系统的原理框图如图1所示。该系统配合单片机完成数据在电力线通信线路的扩频发射和扩频接收。通过单片机的串口及电平转换，还可与PC上位机通信。从图l可以看出，该通信系统的硬件主要有电源、RS-232接口部分、单片机处理部分、载波接口部分(如载波信号接收、载波信号发射和载波信号预处理等)、单片机复位等接口电路。

    在图l中，作为电力线通信系统核心的PL2000A完成载波信号的接收和解扩，当然还需由其他部件(如图2中的MC3361)完成载波信号预处理；载波扩频发射由单片机控制，通过PL2000A完成扩频编码处理，再通过后续推动电路完成扩频载波信号的功率输出。PL2000A载波通信为同步、半双工方式，由帧头进行同步，常态为载波接收模式。单片机接口提供单片机的复位信号、看门狗信号及载波收发控制信号。PL2000A具有与51系列单片机兼容的高电平复位信号，由PL2000A的RST端输出。PL2000A可为单片机提供看门狗功能，看门狗计数器清零输入端为WDI。当WDI端持续436 ms以上无高低电平变化时，将导致看门狗计数器溢出，使PL2000A的RST输出复位高电平。

6 载波通信系统的软、硬件设计
6.1 硬件设计
    由PL2000A组成的低压电力线载波通信系统的硬件设计如图2所示，二极管D3、D4、D5、D6和三极管G1、G2、G3、G4组成功率放大电路，该电路将PL2000A产生的载波调制信号进行功率放大后耦合到电力线上。D1、D2、D7、L2、Tl组成载波耦合接收电路。由功率放大电路放大后的信号波形富含谐波，为了减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。由电感器L1与电容器完成整形滤波后，再通过耦合线圈T1耦合到低压电力线上，双向二极管D7起保护作用。由MC3361对载波信号进行预处理后送到PL2000A的Sin端。
6.2 软件设计
    通信软件设计包括单片机与PL2000A通过FC接口的通信及PL2000A的载波信号接收和发射。单片机通过I2C接口从PL2000A读多字节数据的过程如图3所示，这个过程是主器件(单片机)读取PL2000A内任意地址的寄存器内容，要完成这种方式的读操作需要首先设置片内地址指针寄存器，这可通过将地址字节作为写操作的一部分送给PL2000A来完成。发送了地址字节后，主器件在确认位后面立即产生起始位，用这种方式结束写操作并开始另一次读操作。主器件再次发出器件代码，并使R/W位为“1”，PL2000A将发出确认位并随后发送由上次地址写操作设置的地址指针寻址的8位数据字节，然后主器件不确认传递(产生NACK)，再产生停止位结束本次操作。

    以下是单片机通过I2C接口从PL2000A读多字节数据的部分代码：

7 结束语
    由于PL2000A采用扩频方式通信，因此在很多领域都可以推广和应用，如载波抄表(水，电，气表)、电网管理、家庭自动化(网络家电，家用电火警及安全防范系统、计算机终端接口及载波电话等。