基于微控制器和調(diào)制解調(diào)模塊實現(xiàn)電力線載波通信模塊的設(shè)計

作者：向偉，楊志榮，鄧彥松，夏明

低壓配電網(wǎng)是一個用戶最多，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、遠程抄表、報警系統(tǒng)及智能化小區(qū)。利用電力線作為通信媒介的優(yōu)勢在于，無須重新布線、維護方便、大大節(jié)省通信成本。本文設(shè)計了一套基于調(diào)制解調(diào)模塊ST7538和ATmega88V單片機的電力線載波通信模塊。

系統(tǒng)總體設(shè)計

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

硬件設(shè)計

1 微控制器的選擇

微控制器是系統(tǒng)的控制核心，它負責(zé)整個系統(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衰減大、時變性大、噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，但這可能加大算法的復(fù)雜程度導(dǎo)致運算速度降低。綜合考慮成本和運算能力之后，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)及特點詳見產(chǎn)品手冊。

2 調(diào)制解調(diào)芯片的選擇

信號調(diào)制與解調(diào)以及對信號的自適應(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、濾波與保護的功能。

由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號調(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)計的半雙工、同步/異步、FSK調(diào)制解調(diào)器芯片，具有功能強大、集成度高、抗干擾技術(shù)多等特點，已在電力載波通信中比較廣泛的應(yīng)用。

ST7538通過串行接口與主控制器交換數(shù)據(jù)。由于在方案設(shè)計中ATmega88V的USART用來和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機的接口采用其通過串行接口與ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI相互通信來實現(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。在本方案設(shè)計中采用ST7538做主機，ATmega88V做從機，由ST7538提供數(shù)據(jù)同步傳輸時鐘。

3 電源芯片的選擇

由于整個系統(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 2W，所以我們選用LM2596 作為電源芯片。LM2596開關(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的負載驅(qū)動能力，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，輸入電壓達到36V。LM2596 應(yīng)用時比較簡單且外圍元件較少，如圖2所示（只有四個），內(nèi)置頻率補償電路和固定頻率振蕩器。LM2596 系列產(chǎn)品的開關(guān)頻率為52kHz，所以應(yīng)用時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%；典型的待機電流為50μA，芯片內(nèi)置過流保護電路和過熱保護電路。所以在設(shè)計中選用了兩片LM2596分別做兩個支路輸出5V和12V。此外，在PCB設(shè)計時考慮到開關(guān)電源芯片會產(chǎn)生很強的電磁波輻射，所以盡量遠離調(diào)制解調(diào)電路及濾波電路，以免對載波信號造成干擾。

4 電力線接口電路設(shè)計

實現(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，實現(xiàn)信號在電力線上的傳輸。通信過程要求這個接口電路在發(fā)送信號時，對信號進行濾波處理，濾除一定的噪聲如二次諧波，并通過功率放大器使信號有足夠的功率耦合到電力線上；在接收時，對混雜在信號中的噪聲進行濾除，并放大信號，然后將信號傳送到調(diào)制解調(diào)模塊中進行解調(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部分等。因為ST7538內(nèi)部帶有功率放大電路，所以只需設(shè)計接收、發(fā)送和保護三個部分。電力線接口電路如圖3所示。

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，需要通過計算確定的是電容C13和CR9的值。在選定C11、LC12、L4和LC的值時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感性負載，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，過濾電力線上的50/60Hz的信號，阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過，選取X2型電容，這種電容具有短路保護功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據(jù)極點頻率公式，計算得出C13的值為 220nF，CR9的值為100nF。

接收電路部分選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因為有源濾波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當(dāng)?shù)陌自肼暋２捎貌⒙?lián)諧振電路， 選用二階無源帶通濾波器（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，并減少通過變壓器初級線圈的直流電流， R11的值要盡可能得大， 但R11值若過大，會產(chǎn)生一個較高的白噪聲，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。

在保護電路部分中，一般采用一個雙向穩(wěn)壓管，當(dāng)電壓值不小于穩(wěn)壓管電壓時，穩(wěn)壓管就會短接到地，從而保護接口電路的器件不會被燒壞?；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。采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號沒作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞，所以這里采用三個二極管（D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A），將它們連成星狀結(jié)構(gòu)。對于差模尖峰信號，D16和D15構(gòu)成一個雙向穩(wěn)壓管，對于共模尖峰信號，這種星狀結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于兩個雙向穩(wěn)壓管（D15和D17，D16和D17）。

軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)啟動時，程序完成初始化后便自動進入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開始檢測載波信號的有無及正確與否。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)進入載波接收中斷程序，開始接收從電力線上傳來的數(shù)據(jù)；如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測串口，判斷串口是否有數(shù)據(jù)傳送過來，若目前有串口數(shù)據(jù)則系統(tǒng)進入串口數(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數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進入檢測狀態(tài)，重新開始檢測電力線，進入新一輪循環(huán)。流程圖如圖4所示。為了避免串口同時處于接收與發(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)置來完成。

結(jié)束語

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)計方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強等特點。經(jīng)過實驗觀察，設(shè)備運行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，遇故障可自動重啟，可以實現(xiàn)無人守候，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。

責(zé)任編輯：gt