電力載波通信控制終端電路設(shè)計(jì)

　　電力線載波（PLC）通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。然而，以下缺點(diǎn)導(dǎo)致PLC的主要應(yīng)用——“電力上網(wǎng)”未能大規(guī)模應(yīng)用。技術(shù)問(wèn)題未來(lái)有可能被克服，但是從目前國(guó)內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來(lái)看，留給PLC的時(shí)間和空間并不寬裕。家庭智能系統(tǒng)的研究給PLC帶來(lái)了新的機(jī)遇。該系統(tǒng)以PC為核心實(shí)現(xiàn)家電的智能控制。因?yàn)閿?shù)據(jù)僅在家庭范圍傳輸，束縛PLC應(yīng)用的五大困擾將不復(fù)存在，遠(yuǎn)程對(duì)家電的控制我們也能通過(guò)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)先連接到PC然后再控制家電方式實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中要求家電與PC通過(guò)電力線通信終端連接完成數(shù)據(jù)傳輸功能，該終端技術(shù)上要求能夠在電力線環(huán)境下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)抗干擾能力。

　　本文所介紹的系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)頻通信技術(shù)來(lái)克服干擾，采用SC1128設(shè)計(jì)電力載波通信控制終端，載波頻率為250kHz，帶寬為100kHz，4周波調(diào)相，數(shù)據(jù)速率1kb/s，可實(shí)現(xiàn)低壓電力線的通信功能。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括電力線耦合部分、信號(hào)接收電路部分、信號(hào)發(fā)射電路部分、電力線信號(hào)調(diào)制/解調(diào)部分、單片機(jī)控制部分及數(shù)字信號(hào)接口部分（包括鍵控接口和串行通信接口）。硬件結(jié)構(gòu)框圖和電路圖如圖所示。

　　圖2 電力載波通信控制終端硬件電路圖

　　耦合電路部分設(shè)計(jì)

　　耦合電路是載波信號(hào)的輸出和輸入通路，并起隔離220V/50Hz工頻的作用。該電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電力線路側(cè)的阻抗特性，圖2中T5為信號(hào)耦合變壓器，電力線路側(cè)阻抗一般取3～30Ω。然后確定線圈初次級(jí)的匝數(shù)比或阻抗比，本設(shè)計(jì)取12/21，最后設(shè)計(jì)功率放大器的輸出匹配電阻。輸入通道接一個(gè)浪涌保護(hù)二極管TVS，經(jīng)電阻隔離后接二極管鉗位電路輸出給接收電路部分的前級(jí)濾波器。變壓器T5實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高（100～400kHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號(hào)暢通無(wú)阻，而能夠隔斷高壓。電容C8阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻R5取值可稍大些，本設(shè)計(jì)中取1MΩ，作用是在離線時(shí)使電容放電，防止在設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。TVS是瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。D1、 D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設(shè)計(jì)的。電力線上的設(shè)備接入或者是斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護(hù)措施是至關(guān)重要的。除了電力線上會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí)，如果電力線剛好處于電壓的最大值，而此時(shí)電容上的電壓為0，會(huì)有300V（220V 有效值，最大值311V）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級(jí)產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管無(wú)法消除這個(gè)脈沖。壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的1μs之內(nèi)仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實(shí)驗(yàn)表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。但是它的電流雖然很大，能量卻不是很大。采用瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時(shí)間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達(dá)1500W?？梢院?jiǎn)單地把它看作一個(gè)具有強(qiáng)大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管，但它的動(dòng)態(tài)電阻比較大，所以還需要D1和D2這兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)一步把電壓鉗位在電源電壓左右。

　　信號(hào)接收部分電路設(shè)計(jì)

　　信號(hào)接收部分設(shè)計(jì)包括前級(jí)濾波器設(shè)計(jì)與增益放大器設(shè)計(jì)。濾波器為帶通濾波器。其作用一方面將帶外雜波濾除，另一方面保證前后級(jí)之間的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞信號(hào)的目的。由于主晶振的工作頻率不同，載頻也不同；調(diào)制周波數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率不同，帶寬也不同。因此，濾波器的參數(shù)在主晶振頻率不同時(shí)也將有所變化的。這部分電路設(shè)計(jì)值與本終端適應(yīng)，數(shù)據(jù)速率1kb/s、四周波調(diào)制、250kHz載頻，帶寬為100kHz（200～300kHz）。這部分增益放大的目的是將濾波后的信號(hào)不失真的放大75倍以上，以達(dá)到本級(jí)增益30dB以上的要求。需特別注意小信號(hào)的不失真。

　　信號(hào)發(fā)射電路部分設(shè)計(jì)

　　信號(hào)發(fā)射部分主要為功率放大電路設(shè)計(jì)。此級(jí)功率放大是將SC1128第24腳的高壓開漏輸出轉(zhuǎn)換成功率輸出。該腳輸出時(shí)應(yīng)接一個(gè)不小于1kΩ的上拉電阻，其灌入電流不要超過(guò)4mA，并有不低于3V峰-峰的信號(hào)電壓輸出。功率放大器本身工作在開關(guān)狀態(tài)。由于正常地發(fā)射時(shí)間很短，所以在選擇三極管參數(shù)時(shí)應(yīng)該注意其功率參數(shù)（測(cè)試時(shí)應(yīng)注意工作時(shí)間不能太長(zhǎng)，以避免損壞功率放大器的輸出三極管，整板測(cè)試時(shí)可以串一個(gè)電阻，不過(guò)此時(shí)輸出波形和功率將受影響）。

　　SC1128與微控制器接口

　　系統(tǒng)微控制器采用W77E58，它是中國(guó)***的華幫電子公司（WinBond）推出的高速、高集成、增強(qiáng)型MCS-51系列高性能單片機(jī)，是一個(gè)快速、高性能、功能豐富、高集成度的8位8051兼容微控制器，適合各種智能控制系統(tǒng)開發(fā)。SC1128的第28腳為電路二分之一主晶振輸出（其峰-峰值約為 4V），近似正弦波，該系統(tǒng)中主晶振為16MHz，且單片機(jī)晶振由28腳引入，即單片機(jī)晶振頻率8MHz；32腳為電壓監(jiān)測(cè)端，該端需接5kΩ上拉電阻與 5V電源相接；33腳為看門狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出1/3占空比的復(fù)位脈沖；35腳為電源報(bào)警輸出端，與32腳電源監(jiān)測(cè)輸入端配合使用，當(dāng)電源監(jiān)測(cè)輸入端監(jiān)測(cè)到的電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出為低電平。當(dāng)電源監(jiān)測(cè)輸入端監(jiān)測(cè)到的電源信號(hào)高于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出為高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化；38腳發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端，使SC1128芯片與單片機(jī)信號(hào)同步；41腳為片選輸入端，低電平芯片使能，為保證芯片正常工作，在設(shè)計(jì)中將其接5.1kΩ上拉電阻。數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下：發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR 端（36腳）置高，SCl128芯片發(fā)出同步頭（37腳），單片機(jī)通過(guò)TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)；接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置低，SCl128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步頭，通過(guò)TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。SC1128與W77E58的連接如圖3所示。

　　圖3 SC1128與W77E58連接圖