摘 　要： 介紹了開發(fā)的一種通用電力載波通信模塊，并對(duì)其進(jìn)行了載波信號(hào)波形及通信可靠性測(cè)試，針對(duì)誤碼率問題采用了CRC校驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，此電力載波模塊性能穩(wěn)定，只要能滿足通信要求而又不便布線的地方均可采用。
    關(guān)鍵詞： 電力線載波通信；載波模塊；測(cè)試；CRC校驗(yàn)

 　　電力載波PLC(Power Line Carrier)通信是指利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，因其以電力線為通道，具有無需布線、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。國(guó)外已有相關(guān)成熟產(chǎn)品，但因其電網(wǎng)特性與中國(guó)不同，不適用于我國(guó)。因此，有必要開發(fā)出一種適合我國(guó)國(guó)情的電力載波通信產(chǎn)品，可適用于電力線上網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、安防報(bào)警等多種場(chǎng)合。本文開發(fā)了一種通用電力載波通信模塊，并對(duì)其進(jìn)行載波信號(hào)波形及通信可靠性測(cè)試，力圖為模塊應(yīng)用打下可靠的實(shí)踐基礎(chǔ)。
1 載波通信的關(guān)鍵技術(shù)
1.1 擴(kuò)頻通信
    由于電力線網(wǎng)主要是為提供工頻電能而設(shè)計(jì)的，存在輸入阻抗變化大、信號(hào)衰減嚴(yán)重、噪聲干擾等特性，制約著信號(hào)傳輸?shù)木嚯x和質(zhì)量，所以要采用特殊的技術(shù)手段[1]。擴(kuò)頻通信由于其突出的抗干擾性優(yōu)點(diǎn)，在載波通信中得到廣泛應(yīng)用。它的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng)信道容量公式來描述，當(dāng)信道容量C為常數(shù)時(shí)，可以通過增加帶寬(W)來降低系統(tǒng)對(duì)信噪比(S/N)的要求。本文采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，因其應(yīng)用較廣、成本低、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也最簡(jiǎn)單，同時(shí)也適合電力線載波通道環(huán)境[2]。
1.2 電力線載波芯片
　　電力線載波芯片是電力線通信系統(tǒng)的核心，本文選用專門針對(duì)我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的國(guó)產(chǎn)PL3105調(diào)制解調(diào)芯片。該芯片除了內(nèi)嵌直序擴(kuò)頻通信的數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元和微處理器外，還集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊、DPSK調(diào)制、ISP、完善的電壓檢測(cè)、上電、掉電復(fù)位和看門狗等功能。載波通信的擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)完全由其內(nèi)部硬件電路完成。
　　PL3105芯片的主要通信參數(shù)為：若啟用載波功能，必須使用9.6 MHz晶振；載波頻率為120 kHz，符合國(guó)家規(guī)定的載波頻率(40～500 kHz)的標(biāo)準(zhǔn)；波特率為500 b/s和250 b/s可選，本文采用默認(rèn)值500 b/s；由于PL3105芯片的CPU和載波模塊內(nèi)嵌，所以載波通信控制可以通過配置片內(nèi)寄存器來實(shí)現(xiàn)；載波通信采用半雙工方式。
2 通用模塊設(shè)計(jì)
    載波模塊主要構(gòu)成如圖1所示。

2.1 電源模塊
    整個(gè)電源模塊取自普通電力插座，為交流220 V/50 Hz工頻電，由12 V電源變壓器引入，經(jīng)整流器得到直流+12 V電壓作為放大電路發(fā)射電壓，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805即可獲得+5 V的芯片工作電壓?？紤]到低壓系統(tǒng)實(shí)際存在的波動(dòng)，要接濾波及保護(hù)電容。
2.2 耦合電路
　　耦合電路可將向電力線發(fā)送的信號(hào)耦合到電力線上，又可將從電力線上接收的信號(hào)耦合到通信板。
　　耦合電路由安防電容(AC224/275)、耦合線圈(原、副邊匝比為10：15)和瞬態(tài)抑制二極管組成。對(duì)于工頻信號(hào)，電容CZ的阻抗遠(yuǎn)大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容CZ承擔(dān)了電力線上的交流電壓；對(duì)于120 kHz的系統(tǒng)信號(hào)，線圈原邊電感的阻抗遠(yuǎn)大于電容CZ的阻抗，所以系統(tǒng)擴(kuò)頻信號(hào)幾乎都加在了耦合線圈上，這種電路能把工頻與擴(kuò)頻信號(hào)疊加和分離開來。
2.3 載波收發(fā)電路
    載波收發(fā)電路如圖2所示。PL3105芯片的PSKout腳輸出的載波調(diào)制信號(hào)經(jīng)功率放大電路、整形濾波電路耦合到電力線上，實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。

    在接收端，本系統(tǒng)采用無源帶通濾波器(C15、C16與L2)組成并聯(lián)諧振回路，諧振回路是以擴(kuò)頻信號(hào)的中心頻率120 kHz為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以完成對(duì)有效信號(hào)的帶通濾波，良好的選頻回路可以有效提高載波接收的靈敏度。接收信號(hào)經(jīng)過電容C17后引入到芯片內(nèi)部進(jìn)行后續(xù)處理。
3 載波模塊測(cè)試
    在完成硬件電路設(shè)計(jì)、電路板加工及軟件編程后，只有通過測(cè)試才能證明它是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。測(cè)試工作從模塊到整體的思路逐步進(jìn)行。
3.1 載波信號(hào)波形測(cè)試
　　測(cè)試環(huán)境：室溫，VHH=12 V。通過示波器測(cè)得各部分波形分別如圖3、圖4、圖5所示。

    經(jīng)調(diào)試，本系統(tǒng)的功放電路靜態(tài)工作點(diǎn)正常，放大效果明顯。從圖3可以看出，波形被放大，頻率保持不變。
    從圖4可以看出，信號(hào)耦合到電力線上后信號(hào)特性變差，這也是采用擴(kuò)頻通信的必要性所在。
    對(duì)比圖3(a)和圖5可知，信號(hào)從芯片輸出后經(jīng)由整個(gè)通信信道前后波形能夠較好地相符合，驗(yàn)證了擴(kuò)頻通信的抗干擾能力。
3.2 通信可靠性測(cè)試
    將2塊完全相同的實(shí)驗(yàn)板模塊按圖6連接好。

    (1)不加CRC校驗(yàn)的情況下
　　實(shí)驗(yàn)過程：利用北京福星曉程公司提供的演示軟件，通過PC機(jī)1發(fā)送1幀數(shù)據(jù)給實(shí)驗(yàn)板1，載波通信模塊將數(shù)據(jù)調(diào)制擴(kuò)頻后耦合到電力線上，實(shí)驗(yàn)板2上的載波通信模塊進(jìn)行信號(hào)接收，通過RS-232口上傳給PC機(jī)2，PC機(jī)2反饋1幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述過程，PC機(jī)1接收到反饋的數(shù)據(jù)，如果接收的數(shù)據(jù)與期望收到的數(shù)據(jù)一致，則判定為這次通信成功，否則失敗。每次通信次數(shù)為1 000次。PC機(jī)每500 ms發(fā)送1次數(shù)據(jù)，PC機(jī)串口波特率為2 400 b/s，非校驗(yàn)，1位停止位，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

　　(2)加入CRC校驗(yàn)的情況下
　　CRC校驗(yàn)應(yīng)用于測(cè)控及通信領(lǐng)域，進(jìn)行差錯(cuò)控制。通過表1可以看到，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β室迅哌_(dá)98%以上，所以采用CRC-16位校驗(yàn)就可以滿足要求。CRC－16的生成多項(xiàng)式g(x)=x¹⁶+x¹⁵+x²+1。將要傳送的數(shù)據(jù)除以生成多項(xiàng)式，所得余數(shù)為CRC校驗(yàn)碼[4]。
　　發(fā)送方：發(fā)出的傳輸字段為：信息字段+校驗(yàn)字段。
　　接收方：使用相同的生成碼進(jìn)行校驗(yàn)：接收到的字段/生成碼(二進(jìn)制除法)，如果能夠除盡，則正確。
　　重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，可以發(fā)現(xiàn)，采用了CRC校驗(yàn)后，模塊可以完全正確地進(jìn)行收發(fā)信息。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于擴(kuò)頻通信方式的PL3105載波通信模塊系統(tǒng)工作穩(wěn)定。采用了CRC校驗(yàn)后，在100 m范圍以內(nèi)，可以完全正確地收發(fā)信息。該模塊目前的通信速率為500 b/s，所以它適用于傳送短消息、數(shù)據(jù)通信量低以及實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)
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