一种交流电数字编码控制方法及实现

摘要：针对电力线载波通信技术节点成本高，切相调光技术线路谐波干扰大，且无法定位寻址控制的缺点，通过提出一种对交流电进行数字编码的控制方法，利用高压功率驱动器件对交流电的正负半波的后沿进行数字脉冲编码，每个半波编一个编码位，实现电力线传输数字控制信号的目的。本文提供了控制器的编码及接收端的解码硬件电路及软件解码方法。本文的技术可应用于室内照明调光的可寻址控制。

0 引言

目前多数建筑仍采用手动开关的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪费。在原有供电系统上设计独立的智能照明控制系统，改变传统的照明控制方式，可以更科学、有效地管理照明用电。在电力线通信技术领域，如采用电力线载波通信的方式，即通过在电力线上调制高频载波信号实现设备间的信息传输和控制，这样每个设备节点配备的高频调制控制电路较为复杂，元件数量多，需要较高的成本。在商业和家庭照明灯具控制方面，现在市场上灯具控制网络多采用专用控制线路进行连接，这样也增加了系统的布线成本。采用无线控制网络的系统，每个控制节点的元件成本也较高。采用电力线进行照明调光，多数采用前沿或后沿的切相控制，切相调光对电网产生较高的持续谐波干扰，而且只能实现一组设备的统一调光控制，无法实现对单一个体设备的精确寻址控制或实现调光调色的数字化控制。

本文提供了一种交流正弦波数字编码控制方法，利用高压功率驱动器件对交流电的正负半波的后沿进行数字脉冲编码，每个半波编一个数字位，实现交流电力线传输数字控制信号。本方案只需在控制的时候进行切相编码，当发送完控制指令后，恢复原来完整的正弦波信号，既解决了数字化精确控制，又解决了线路的谐波干扰问题。

1 交流电数字编码方法

组成一个控制单元最少由一个控制器和一个受控设备组成，控制器根据控制指令，对交流电输入端的后沿进行脉冲编码，一帧数字编码由起始位、地址、数据、校验和停止位编码组成。

交流电正弦波频率50Hz，利用正负半周进行编码，每秒可以定义100个编码位，在一些简单数字控制应用中，尽量缩短一帧数据的长度，以提高设备的响应速度。本文采用的编码方案为一帧数据由19个编码位组成，其中1个起始位、8个地址位、8个数据位、1个奇校验位、1个停止位。一帧数据的长度为 190ms，每秒可以发送5帧控制信号，可满足室内照明调光的控制需要。由于编码和解码的通信过程为单向通信，受控设备没有应答信号返回给控制器，所以信号传输的可靠性尤其重要。

本文考虑负载端受控设备输入端容性和感性对交流正弦波波形的影响，以较宽的脉冲宽度来定义编码位的脉冲宽度，以使得受控设备得到稳定可靠的还原信号。这里以交流脉冲编码过零点作为时间参考起点，以过零后T0时间开始编码，T0取值8.0ms，“起始位”为500μs低电平和500μs高电平;位“0”为 250μs低电平和250μs高电平;位“1”为250μs低电平和500μs高电平;“停止位”为完整的正弦半波。一个编码位的波形如图1，各编码位的时间参数如表1。

如图2是一帧数据的波形示意图。包含1位起始位“Sbit”，8位地址位“A0-A7”，8位数据位“D0-D7”，1位奇校验位“Cbit”，1位停止位“Ebit”。受控设备只接收与本身地址相同的数据或广播数据。这样，控制器可以对某个特定地址的受控设备进行精确控制。

2 控制器编码电路硬件设计

控制器的核心电路由微处理器电路、过零检测电路和电压驱动控制电路组成。控制核心由高速微处理器U1控制，控制信号输出以交流电压的过零点作为时间参考，如图3所示，由B1、R1、U2、R3组成的过零检测电路，当输入交流电压高于20V时，光耦U2导通，INT0为高电平，当输入交流电压低于20V时，光耦U2截止，INT0为低电平，触发微处理器的定时器计数。微处理器U1可通过UART串口接收上位机的指令，根据编码方法，通过编码电路向受控设备发送指令。也可以通过微处理器U1接收控制按键信息，根据按键的功能定义进行相应的控制。

如图3所示，由整流桥B2、MOS管Q1以及Q2、Q3、Q4、D3、R4、R5、R6、R7、R8组成的MOS驱动电路，其中三极管Q2、Q3、Q4组成开关驱动，为Q1提供+15V和0V的开关电平。编码电路通过开通或关闭场效应管Q1来完成对受控设备的指令编码。当微处理器的P11口输出低电平时，Q3、Q4截止，Q2导通，场效应管Q1的栅极(G)施加了+15V电压，Q1导通，输入端的交流电通过Q1输出到受控设备。当P11口输出高电平时，Q4、Q3导通，Q2截止，场效应管Q1的栅极(G)通过R6被接到低电平GND，Q1截止，截断了受控设备端交流电压。电路中D3对Q1起保护栅极作用。微处理器通过读取负载电阻R8上的电压值，计算出负载电流，可以对负载的过流和短路进行保护处理。

3 控制器编码电路软件设计

对于本系统中的控制器，由于是充当电力和信号提供的角色，则只提供发送指令功能。控制器中单片机的主要实现以下功能和关键技术：通过串口接收用户指令、检测过零信号、对电力线进行编码。

3.1 串口接收用户指令

当串口接收到指令后，单片机会进入接收中断，由于会收到多条指令，需要设立一个指令缓冲区存储未被处理的指令。串口中断处理程序完成后，根据指令是否有效，如果有效则给上位机发送响应信息，并将有效指令编码成数据字节，放入发送缓冲区等待主程序进行检测发送。

3.2 过零信号检测

基于电力线的数字传输，需要精确的时间点进行编码，便于下位机对电力线上的编码进行准确识别。因此，控制器单片机需检测电力线的每一次过零信号，使得后续的编码信号有一个时间参考点。参考图3，过零检测信号连接到单片机的中断输入接口“int0”，过零检测信号电平波形如图4的“Vint”，从图中可知，“Vint”信号下降沿开始到“Vint”变高的t0时间的中点为过零点。

3.3 电力线编码

根据表1的编码规则，每个数字位的编码耗时约2ms。对于50Hz交流电信号则从过零点开始8ms的时间开始进行编码。一帧数据包含起始位、8位地址位、 8位数据位、1位校验位和停止位。当新的一帧数据需要发送时，先发送一位起始位，然后每个电力正弦波半周期发送1位(Bit)数据，低位在先。每一次发送 1位完成后，数据字节右移，直至地址和数据字节发送完成后，最后发送校验位和停止位。如图4的“Vout”为电力信号经过编码后的输出波形图。

4 受控设备解码电路硬件设计

受控设备通过过零检测电路还原上位机的指令信息。每帧指令信息包含起始位、地址、数据、奇校验位和停止位。受控设备接收属于本机地址相匹配的控制信息，并根据指令协议所定义的功能做出相应的控制。

图5为受控设备的过零信号检测电路，各元件的参数需要与控制器的过零检测电路元件参数一致。由于所有的受控设备的电源输入端并联一起接在控制器的输出端，为了减少受控设备电源输入线路的容性对控制编码脉冲上升沿的影响，受控设备电源输入端需要减少输入端电容。图5是一种受控设备的电源方案，电源输入两端连接压敏电阻VR，防止高压的影响，共模电感L1有利于消除EMC干扰信号，经过桥堆B3整流后由C1滤波，AC/DC隔离开关电源的输出级工作电压Vdd 和控制逻辑电路工作电压Vcc。微处理器通过INT0接口接收控制器的指令，并对接收的控制信号进行解码，根据通信协议的规定对后级进行功能控制。图6为受控设备输入端电压Vin波形和经过过零检测电路后在INT0端的电压Vo波形图。

5 受控设备解码电路软件设计

在实际应用中，受控设备于系统中担当接收控制信号，对信号进行解码并执行指令的对应控制。如图6所示的“Vo”波形图为经过过零检测电路后“int0”端口的波形，基于AC220V/50Hz电力系统的应用参数。本编码方法主要体现在高低电平持续时间，因此解码需要用到一个定时/计数器及一个外部中断IO 口，以判断此位数据是何种类型。

一个不经过削波编码的完整正弦波的过零信号是一个宽度约为1.9—2.1ms的低电平，而一帧数据的起始位为宽度0.4—0.6ms的低电平和0.4— 0.6ms的高电平;一个数据位“0”为宽度0.15—0.35ms的低电平和0.15-0.35ms的高电平;一个数据位“1”为宽度0.1 5—0.35ms的低电平和0.4-0.6ms的高电平。程序上，当收到一个正确的起始位后，开始接收17bit的数据和一个停止位，第17bit对2字节数据进行奇偶校验，如果校验正确，则判断接收到正确的一帧数据。当地址与本机地址相符合，则根据协议执行响应控制。

6 应用

在室内照明控制系统中，数字可寻址照明接口(DALI)技术利用双线控制总线对6 4个独立地址的照明灯具进行智能化控制，包括对灯具进行最多1 6个分组、和定义最多1 6个照明场景。每帧数据由1个字节的地址和1个字节的数据组成，采用本文的交流电数字编码技术，把DALI控制信号经过调光控制器转换成电力线调制的数字化交流供电控制合一的控制信号，可以简化系统布线，非常适合室内照明系统的应用。如下图7是照明控制系统中，DALI系统转换成电力线数字控制系统的应用框架，通过两条交流供电电缆实现了照明灯具的精确定位调光调色控制。

7 结论

本文介绍了一种对交流电进行数字编码的控制方法，通过高压功率驱动器件对交流电的正负半波的后沿进行数字脉冲编码，实现电力线传输数字控制信号的目的，在室内调光系统应用中，简化了系统布线，减少谐波干扰，实现了可精确寻址的调光调色控制。