基于ST7538和ATmega88V的電力線載波通信模塊的設(shè)

基于ST7538和ATmega88V的電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)

低壓配電網(wǎng)是一個(gè)用戶最多，分布最廣的一種能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。它可用于電力管理、照明控制、加熱制冷系統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程抄表、報(bào)警系統(tǒng)及智能化小區(qū)。利用電力線作為通信媒介的優(yōu)勢(shì)在于,無(wú)須重新布線、維護(hù)方便、大大節(jié)省通信成本。本文設(shè)計(jì)了一套基于調(diào)制解調(diào)模塊ST7538和ATmega88V單片機(jī)的電力線載波通信模塊。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理，給出了整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，如圖1所示。本電力線載波通信節(jié)點(diǎn)模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號(hào)處理部分、電源電路部分和電力線接口部分。

圖1 低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理

硬件設(shè)計(jì)
1 微控制器的選擇
微控制器是系統(tǒng)的控制核心,它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào)度。為克服電力線上存在信號(hào)衰減大、時(shí)變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編譯碼方案，但這可能加大算法的復(fù)雜程度導(dǎo)致運(yùn)算速度降低。綜合考慮成本和運(yùn)算能力之后，微處理器選用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器ATmega88V，它的具體參數(shù)及特點(diǎn)詳見(jiàn)產(chǎn)品手冊(cè)。

2 調(diào)制解調(diào)芯片的選擇
信號(hào)調(diào)制與解調(diào)以及對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)平衡放大、濾波及與微控制器的通信等功能由電力線載波芯片完成。電力線接口則起到耦合、隔離、濾波與保護(hù)的功能。

由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號(hào)調(diào)制解調(diào)芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步、FSK調(diào)制解調(diào)器芯片,具有功能強(qiáng)大、集成度高、抗干擾技術(shù)多等特點(diǎn)，已在電力載波通信中比較廣泛的應(yīng)用。

ST7538通過(guò)串行接口與主控制器交換數(shù)據(jù)。由于在方案設(shè)計(jì)中ATmega88V的USART用來(lái)和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機(jī)的接口采用其通過(guò)串行接口與ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI相互通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI具有全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸、主從及操作等特點(diǎn)。在本方案設(shè)計(jì)中采用ST7538做主機(jī)，ATmega88V做從機(jī)，由ST7538提供數(shù)據(jù)同步傳輸時(shí)鐘。

3 電源芯片的選擇
由于整個(gè)系統(tǒng)中主要芯片（ST7538,ATmega88V）的工作電壓分別是12V和5V，系統(tǒng)總功率不超過(guò)2W，所以我們選用LM2596 作為電源芯片。LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有非常小的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，具有3A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，LM2596 能夠輸出3.3V、5V、12V、15V 的固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)電壓輸出方式，輸入電壓達(dá)到36V。LM2596 應(yīng)用時(shí)比較簡(jiǎn)單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個(gè)），內(nèi)置頻率補(bǔ)償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率為52kHz，所以應(yīng)用時(shí)可以使用小尺寸的濾波元件。它可以高效地取代一般的三端線性穩(wěn)壓器，能夠充分減小散熱片的面積。在規(guī)定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，LM2596 輸出電壓的誤差范圍為±4%；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10%；典型的待機(jī)電流為50μA，芯片內(nèi)置過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)熱保護(hù)電路。所以在設(shè)計(jì)中選用了兩片LM2596分別做兩個(gè)支路輸出5V和12V。此外，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)考慮到開(kāi)關(guān)電源芯片會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波輻射，所以盡量遠(yuǎn)離調(diào)制解調(diào)電路及濾波電路，以免對(duì)載波信號(hào)造成干擾。

圖2 LM2596電源模塊電路原理

4 電力線接口電路設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的電力線載波通信的關(guān)鍵在于所選用的載波調(diào)制解調(diào)模塊和相應(yīng)的接口電路。電力線接口電路將調(diào)制解調(diào)部分和電力線耦合,實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電力線上的傳輸。通信過(guò)程要求這個(gè)接口電路在發(fā)送信號(hào)時(shí),對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,濾除一定的噪聲如二次諧波,并通過(guò)功率放大器使信號(hào)有足夠的功率耦合到電力線上；在接收時(shí),對(duì)混雜在信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾除,并放大信號(hào),然后將信號(hào)傳送到調(diào)制解調(diào)模塊中進(jìn)行解調(diào)。因此接口電路的性能決定了通信效果的好壞。一般地,電力線接口電路包括:接收部分、發(fā)送部分、功率放大部分和保護(hù)部分等。因?yàn)镾T7538內(nèi)部帶有功率放大電路,所以只需設(shè)計(jì)接收、發(fā)送和保護(hù)三個(gè)部分。電力線接口電路如圖3所示。

圖3 電力線接口電路

發(fā)送電路部分，電容C11、電感LC12、電感L4和等效感性阻抗LC的值一般是事先給定的,需要通過(guò)計(jì)算確定的是電容C13和CR9的值。在選定C11、LC12、L4和LC的值時(shí)要注意變壓器的漏電感、晶體二極管的電容和串聯(lián)器件(C13、LC12、T1、L4、C11)的等效串聯(lián)電阻ESR(100mΩ～1Ω) ,所以盡可能地選用電阻性器件。變壓器選用1:1的隔離變壓器。模擬電力線的阻抗條件,即給濾波器的輸出端加上一個(gè)感性負(fù)載,令其阻抗特性為2LC = 100μH。電路中的感性器件的ESR要與其電感值成比例,且感性器件的ESR要盡可能地小。電感選用LBC（大線軸帶繞磁心）,電感值盡可能小,所以LC12的值選為10μH，L4的值選為22μH。C11的作用是將變壓器與電力線隔離,過(guò)濾電力線上的50/60Hz的信號(hào),阻止低頻信號(hào)進(jìn)入電路而使某些高頻信號(hào)通過(guò),選取X2型電容，這種電容具有短路保護(hù)功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據(jù)極點(diǎn)頻率公式，計(jì)算得出C13的值為220nF,CR9的值為100nF。

接收電路部分選用無(wú)源濾波器要優(yōu)于有源濾波器,這是因?yàn)橛性礊V波器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與接收信號(hào)相當(dāng)?shù)陌自肼?。采用并?lián)諧振電路, 選用二階無(wú)源帶通濾波器(C36、L7、R11)。接收濾波器的頻率主要由電容C36,電感L7和電阻R11的值決定。中心頻率可設(shè)置為132.5kHz。濾波器性能好壞的一個(gè)重要因素是品質(zhì)因數(shù)Q，Q值選為2～3。選用允許誤差為5%的聚丙烯電容和允許誤差為10%的BC(線軸帶繞磁芯)電感。為了不影響發(fā)送部分,并減少通過(guò)變壓器初級(jí)線圈的直流電流, R11的值要盡可能得大, 但R11值若過(guò)大,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的白噪聲,所以R11的值取為750Ω。令R11的值不變，根據(jù)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的選取不同可以得出不同的C36和L7的值。

在保護(hù)電路部分中,一般采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管,當(dāng)電壓值不小于穩(wěn)壓管電壓時(shí),穩(wěn)壓管就會(huì)短接到地,從而保護(hù)接口電路的器件不會(huì)被燒壞?；鹁€與零線間的干擾為差模干擾，火線與地線，零線與地線間的為共模干擾。采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管只對(duì)差模尖峰信號(hào)起作用而對(duì)共模尖峰信號(hào)沒(méi)作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號(hào)時(shí)就會(huì)對(duì)電路造成損壞，所以這里采用三個(gè)二極管(D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A)，將它們連成星狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于差模尖峰信號(hào)，D16和D15構(gòu)成一個(gè)雙向穩(wěn)壓管，對(duì)于共模尖峰信號(hào),這種星狀結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于兩個(gè)雙向穩(wěn)壓管(D15和D17,D16和D17)。

軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，程序完成初始化后便自動(dòng)進(jìn)入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開(kāi)始檢測(cè)載波信號(hào)的有無(wú)及正確與否。如果檢測(cè)到載波信號(hào)且正確，則系統(tǒng)進(jìn)入載波接收中斷程序，開(kāi)始接收從電力線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)；如果一開(kāi)始沒(méi)有載波信號(hào)，則系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)串口，判斷串口是否有數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)，若目前有串口數(shù)據(jù)則系統(tǒng)進(jìn)入串口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，確定串口數(shù)據(jù)接收完成后就馬上進(jìn)入載波發(fā)送中斷程序，完成數(shù)據(jù)調(diào)制并發(fā)送。如果電力線及串口都無(wú)數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，重新開(kāi)始檢測(cè)電力線，進(jìn)入新一輪循環(huán)。流程圖如圖4所示。為了避免串口同時(shí)處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設(shè)置來(lái)完成。

圖4 電力載波通信系統(tǒng)程序流程

結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的基于ATmega88V與 ST7538低壓電力線載波通信模塊的電路設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，設(shè)備運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，遇故障可自動(dòng)重啟，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人守候，為復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下的工業(yè)控制和數(shù)據(jù)傳輸提供了一套參考方案。