消費(fèi)總線電力線接口電路的設(shè)計(jì)

智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(總線)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操,總線協(xié)議是其精髓所在。目前,國際上占主導(dǎo)地位的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有:美國的X10[1]、消費(fèi)總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HOME BUS)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。

　　消費(fèi)總線使用五種類型的介質(zhì)(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜),其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。消費(fèi)總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持,1992年成為美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)(EIA600、EIA721)。1997年,EIA600成為美國ANSI標(biāo)準(zhǔn);2000年6月,微軟和CEBus委員會(huì)共同宣布支持CEBus的簡單控制協(xié)議SCP。SCP是未來微軟UPNP協(xié)議的子集。

1 CEBus電力線物理層

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus采用價(jià)格低廉、簡單易行的線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。摒棄了傳統(tǒng)電力線載波通常應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻等設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。

　　消費(fèi)總線的物理層有四種碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號(hào),正弦信號(hào)載波,從203kHz經(jīng)過19個(gè)周期線性地變?yōu)?00kHz,再經(jīng)過1個(gè)周期變?yōu)?00kHz,然后在5個(gè)周期中變?yōu)?03kHz,整個(gè)過程用時(shí)100μs,也就是1個(gè)UST(Unit symble time,在消費(fèi)總線中用多少個(gè)UST來度量時(shí)間)。其波形如圖1所示。

　　chirps掃頻載波需經(jīng)過放大耦合到電力線上,放大后的幅度應(yīng)適中。幅度太低,給接收電路帶來困難;幅度太大,又會(huì)對(duì)電力線上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。CEBus的規(guī)定如表1[5]所示。

　　同時(shí)也規(guī)定了電器設(shè)備對(duì)信號(hào)的阻抗。如果阻抗很小,就會(huì)將信號(hào)吸收從而無法傳送。規(guī)定如表2[5]所示。

　　線性調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶低功率密度傳輸,從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時(shí),chirps具有很強(qiáng)的自相關(guān)性和自同步性。這種自相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種特殊波形。

2 通訊模塊的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊(cè)[6][7],設(shè)計(jì)的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊,用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣,中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)。

3 通訊模塊電力線接口電路的設(shè)計(jì)

　　從P300輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有高次諧波,因此必須經(jīng)過濾波和放大,然后才能通過耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開,防止高壓擊穿通訊電路。另一方面,從電力線來的載波信號(hào)又要由P300接收,而電力線上的干擾很大也很不確定,所以需要一個(gè)帶通濾波器,通過100kHz～400kHz之間的信號(hào),再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

　　其中左邊的3根線來自P300,TS是數(shù)字信號(hào),控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實(shí)際上P300的收發(fā)類似半雙工方式,因?yàn)楫?dāng)它在“發(fā)送”劣態(tài)的時(shí)候,實(shí)際上并沒有輸出信號(hào)。因此,這個(gè)時(shí)候它可以處于接收狀態(tài),如果接收到了優(yōu)態(tài),就表示發(fā)生了競爭。

3.1 濾波電路

　　輸入濾波器電路如圖4所示。

　　這個(gè)濾波器有6階,對(duì)高頻干擾有很好的抑制,圖5是它的頻率響應(yīng)曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB,高于400kHz的平均衰減為128dB/dec,可以有效地過濾干擾信號(hào)。

　　P300輸出的信號(hào)包含豐富的高次諧波,為了減小對(duì)電網(wǎng)的干擾,先經(jīng)過帶通濾波器再進(jìn)行放大。濾波器也采用無源電路,原理與上面類似,這里不再贅述。

3.2 放大電路

　　P300的輸出信號(hào)經(jīng)過濾波之后,其內(nèi)阻很大,沒有驅(qū)動(dòng)能力,而且電壓幅度不符合消費(fèi)總線的要求,必須放大后才能夠驅(qū)動(dòng)電力線。放大電路不僅要有強(qiáng)有力的輸出能力,還需有禁止輸出功能,這樣才能使P300接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)。