摘 要: 介紹了一種以AT89C52單片機為控制核心、以P300/P111電力線擴頻載波通訊芯片為基礎的電力線載波通訊節(jié)點的實現(xiàn),闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理,并指出了系統(tǒng)應用中應注意的問題。
關鍵詞: 電力線載波 單片機 P300/P111芯片
在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中,現(xiàn)場節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信非常重要。目前大部分數(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行通訊。雖然這些通訊線路通信容量較大,但造價高、維護難。在一些危險、有害的工業(yè)環(huán)境中,迫切需要一種簡便的、易于維護的通信系統(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。各個現(xiàn)場節(jié)點只需聯(lián)到交流220V電力線上即可實現(xiàn)開放的通訊網(wǎng)絡。系統(tǒng)構(gòu)成簡單,易于維護。由于采用了擴頻通信技術(shù),系統(tǒng)具有很強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AT89C52為控制核心,控制SSC P300網(wǎng)絡接口控制器,實現(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)到符號的轉(zhuǎn)換、接收符號到字節(jié)的轉(zhuǎn)換及CRC的產(chǎn)生和校驗等。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(包含應用層和網(wǎng)絡層)的通迅協(xié)議。而SSC P300 IC則提供低級數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的網(wǎng)絡服務。
SSC P300與主處理器的接口通過一個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時對其進行計時。主處理器還提供了PI數(shù)據(jù)時鐘(SCLK)來對數(shù)據(jù)傳輸提供時序信號。SSC P300的服務請求由低電平有效的中斷信號(INT)來完成。SSC P300低電平有效的片選信號(CS)可將SPI接口置為有效或無效。而低電平有效的復位信號(RST)則由主處理器AT89C52提供。所有的主處理器AT89C52接口信號都與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、低通濾波和信號耦合等功能。模擬信號是通過信號入(SI)和信號出(SO)腳在SSC P300與通訊媒介(交流電力線、雙絞線等)之間進行傳輸?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(TS)來決定其工作與否。一旦信號被放大,則輸出信號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進行交流耦合,經(jīng)R7、C12進行濾波。為了在電力線上保證按照FCC規(guī)則進行引導發(fā)射,需要對chirps信號進一步濾波。在頻率為535kHz～1705kHz的范圍內(nèi),節(jié)點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)動由C13、C14,L1和R11組成的3極低通濾波器。
在預置濾波后,“chirps”信號通過C15進行交流耦合,再傳輸?shù)絊SC P111功率放大器的信號輸入腳(TXI)。此功率放大器可將信號電壓幅度增至原來的2倍。信號從SSC P111 IC的TXO腳輸出,并被電感L2濾波。之后,信號通過C18進行交流濾波,傳輸?shù)诫娏€耦合電路,最后到達電力線。
3 接收模式電路原理
從電力線上耦合進來的chirp波信號首先經(jīng)過由圖1中的R13、C20、L3、C21、L4、C22和C23組成的無源六級LC構(gòu)造的外部帶通濾波器以實現(xiàn)帶外頻率波形衰減。經(jīng)過濾波后的輸入信號要經(jīng)由圖1中Q2、R14和R17組成的晶體管放大器進行緩存。此放大器的信號增益為20dB。之所以定為這個值,是因它可以提供給節(jié)點峰—峰值為1mV的靈敏電壓。而其他增益值盡管可以提高節(jié)點的靈敏度,但卻同時降低了信號對噪聲的抗干擾度。圖1中R14和R15兩個電阻為放大器設定了直流偏移點,將SSC P300 SI腳輸入的直流電平置為電源電壓的一半。同時,它們還接在輸入濾波器的端點處,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管腳的信號固定于設備電源提供的電壓范圍內(nèi)。同時也為SSC P300提供了額外的瞬間高壓保護。
4 電力線耦合保護模塊電路原理
為了防止通訊線路上的瞬態(tài)作用對電路元器件造成永久性的損壞,一般電子產(chǎn)品內(nèi)都設有瞬態(tài)保護電路。本系統(tǒng)是為低壓電力線通信而設計的,其保護電路尤為重要,因為低壓電力線上的雷電和開關瞬態(tài)具有很高的幅值和快速上升時間,為此必需采用特殊的保護措施。
耦合保護電路主要由圖2中的100系列元件組成。變壓器T101對于100kHz～400kHz的擴頻載波信號提供了一個線性的傳輸功能;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,可對其進行放電,減輕由于C101中儲藏的高壓而帶來的損壞或破壞設備的可能性;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。
5 電力“三通”的實現(xiàn)及原理
在系統(tǒng)中,每個現(xiàn)場節(jié)點只有一根電源線與外界相連,功率和信號都從電源線走。所以,有效地隔離50Hz的工頻信號和100kHz～400kHz的掃頻波信號是實現(xiàn)這種“二線制”現(xiàn)場節(jié)點的關鍵。圖3給出了電力“三通”的電路原理。50Hz的工頻信號和高頻的掃頻信號同時加到電路板的耦合輸入端。其中R101和C101組成了一個高通濾波器,將220V/50Hz的工頻信號隔離開。而100kHz～400kHz的掃頻信號則可以順利通過。信號經(jīng)高通濾波后再由一個12:12的高頻信號耦合變壓器耦合到內(nèi)部后續(xù)電路做進一步的信號處理。事實上,該高頻耦合變壓器也是一個10kHz的高通。相應地,耦合輸入端的高頻信號在經(jīng)過一個30W,220V/24V的電源變壓器T102(相當于一個低通)后,部分高頻信號被濾掉。電感L102、L103和電容C103、C104、C105組成了一個電源濾波器,進一步將功率信號上載有的高頻掃頻信號濾掉,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等各種不同等級的電壓供系統(tǒng)使用。
6 應注意的一些問題
(1)時鐘接口問題。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1MΩ的電阻(R5),與之并聯(lián)的晶振(Y1)和一個33pF的電容將每個晶振腳與地相連。這些電容(C7、C8)的值需要進行實驗以對印刷電路的布線電容進行補償(±10pF)。
(2)布線的考慮。SSC P300的節(jié)點應用在RF低頻,對微瓦等級信號進行的操作。因此,對印刷電路板的精心布線就尤為重要了。對于SSC P300電源的旁路而言,必須與IC管腳盡可能靠近。且模擬信號地必須與模擬電源和數(shù)字信號地在物理上分開,而地線必須僅固定于一個管腳。
(3) SSC P111瞬間保護。由于SSC P111驅(qū)動AC電力線,因而線上的瞬間電壓將會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電力變壓器供電范圍內(nèi),各單片機節(jié)點最好均接到同一相線上,這樣傳輸衰減小、傳距遠、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,實現(xiàn)跨相傳輸,但傳輸效果可能差很多。
參考文獻
1 上海Waslin浩均科技有限公司.資訊光盤.