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本文敘述的是一個遵從CEA709協(xié)議,使用定點DSP控制器(TMS320LF2812),從軟件和硬件上來實現(xiàn)電力線調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)。文中描述了模擬終端具體的設(shè)計方法,而這個終端對穩(wěn)定的收發(fā)運行過程來說是必要的。
1 基于CEA709協(xié)議的系統(tǒng)框架
圖1為ANSI/CEA709協(xié)議標準的物理框圖。
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圖1 CEA709協(xié)議物理層框圖
在軌道交通、網(wǎng)絡(luò)能源管理、智能樓宇、暖通空調(diào)、煤礦安全、能源和環(huán)境管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的控制網(wǎng)絡(luò)平臺LonWorks成為中國國家標準指導(dǎo)性技術(shù)文件。全球的樓宇、家庭、工業(yè)和運輸自動化業(yè)目前大量采用了基于LonWorks平臺。LonWorks平臺是世界上最大住宅智能電表網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)平臺,被瑞典、荷蘭和澳大利亞等國家的住宅和小型商業(yè)電表的智能表所采用,而運行在此平臺上的協(xié)議是美國控制網(wǎng)絡(luò)標準ANSI/CEA709。目前,已有越來越多的中國生產(chǎn)廠和集成商采用了ANSI/CEA709協(xié)議標準,例如在青藏鐵路——世界上最長的高海拔鐵路列車上,利用LonWorks技術(shù)平臺,采用ANSI/CEA709協(xié)議用于技術(shù)監(jiān)測和控制各種系統(tǒng),包括監(jiān)測最先進的旅客用供氧系統(tǒng)。
對于圖1中的CEA709物理層框圖,用DSP來實現(xiàn)CEA709調(diào)制解調(diào)器功能的系統(tǒng)框圖如圖2所示。DSP(TMS320F2812)具有150MIPS的計算能力,信號采集使用一個12位片上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度為12 Msps,DSP提供多PWM來適應(yīng)電力線調(diào)制解調(diào)器。
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圖2 系統(tǒng)框圖
2個片上PWM輸出和1個線驅(qū)動器用于實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送功能。一個A/D輸入用來采樣帶通輸入端口信號,以此來實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的接收功能,帶通濾波器實際上是一個離散濾波器。它們和交流阻塞電容、耦合變壓器一起完成接口的模擬前端設(shè)計。
下面主要介紹模擬前端接口的設(shè)計過程。
2 模擬前端及接口的實現(xiàn)
CEA709通信系統(tǒng)以131.579 kHz載波頻率來定義,每個傳輸數(shù)據(jù)位由載波頻率正弦波上24個周期組成,因此波特率為5.5kbps。每個位段的相位可以設(shè)為0°而使該位置0,也可以設(shè)為180°來使該位置1。
2.1 信號接收
首先去除耦合網(wǎng)絡(luò)中的50/60 Hz電力線電壓,然后再用一個二階有源帶通濾波器濾出信號,可以檢測到131.5kHz的調(diào)頻信號。這個濾波器是通過一個運算放大器來建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個通道采樣,信號采樣序列由FIR濾波器處理,同時,這個濾波器的輸出用來進行時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)檢測。
采樣得到的是115 kHz的接收信號,它是載波頻率的(21/24)倍。這個信號在131.5 kHz至中頻16.5kHz的范圍內(nèi)向下采樣,然后用采樣頻率時鐘與輸入載波正弦信號混合相乘,兩個正弦波相乘的結(jié)果生成兩個正弦波頻率的“和”與“差”的合成信號,如圖3所示。
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圖3 采樣后的頻率效應(yīng)
運行時,DSP在每個ADC采樣轉(zhuǎn)換完成后都會產(chǎn)生一個中斷,然后每個采樣信號就和數(shù)字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環(huán))輸出比較,來估計接收到的信號的相位。在頻率5.5kHz下,相位是確定的。如果相位小于±90°,那么就假定接收到的是“0”信號,否則就是“1”信號。
接收的位序列和已知的“位同步”域進行比較,當(dāng)位同步數(shù)據(jù)接收到之后,調(diào)制解調(diào)器就開始搜尋“字同步”域。字同步數(shù)據(jù)標志著消息數(shù)據(jù)的起始,同時也定義了消息數(shù)據(jù)的極性。當(dāng)包的數(shù)據(jù)確定后, 11位碼字解碼為8位的數(shù)據(jù)字節(jié),接收字節(jié)的校驗位和通過計算得到的校驗位進行比較,數(shù)據(jù)從物理層傳送到MAC層。然后接收數(shù)據(jù)進行CRC校驗比較,正確數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。
2.2 相位檢測
為了檢測發(fā)送信號的“0”或“1”, 中頻信號16.5kHz的相位是離散的接收信號值的形式。首先需要用接收的采樣信號驅(qū)動一個數(shù)字鎖相環(huán),當(dāng)這個鎖相環(huán)的輸出被接收的信號同步地鎖住后,鎖相環(huán)和接收信號之間的復(fù)數(shù)相位的估算是由鎖相環(huán)調(diào)制產(chǎn)生的。復(fù)數(shù)相位的實部是余弦和,當(dāng)接收到“0”信號時,它是一個很大的正數(shù)值;相反接收到“1”時,它就是一個大的負數(shù)。復(fù)數(shù)相位的虛部是正弦和。它代表了相位有偏差,并反饋給鎖相環(huán)來調(diào)整正弦輸出,以跟蹤接收的信號。
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圖4 接收信號處理框圖
圖4為完整的接收信號的處理框圖。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,加上了一個自動增益控制模塊(Automatic Gain Control,AGC)。它是通過偵測接收信號的平均大小來接收信號的。
2.3 信號發(fā)送
在該應(yīng)用中,發(fā)送信號通過DSP控制器的片上PWM(脈寬調(diào)制模塊)直接生成。每一位定義有24個周期,因此PWM控制器允許運行24個周期;而后,根據(jù)下一個發(fā)送位的極性,通過一個中斷來重新給PWM輸出賦值。欲發(fā)送的消息數(shù)據(jù)從應(yīng)用層依次輸送到會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層,然后到達物理層,形成發(fā)送波形。在數(shù)據(jù)鏈路層時,消息數(shù)據(jù)的CRC字經(jīng)計算后附加給數(shù)據(jù),物理層確定信道是否可用,然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
2.4 PWM生成發(fā)送波形
三級信號波形是通過把DSP控制器的兩個PWM輸出相加得到的,然后該波形由低通濾波器產(chǎn)生一個正弦波。與標準的二級方波相比,三級波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈沖寬度會產(chǎn)生不同的諧波頻率。為了將濾波器需要清除的諧波減到最小,需要確定最佳的脈沖寬度。從下式對稱脈沖的傅里葉級數(shù)公式,可以找到這個寬度。式(1)中T代表基波頻率周期,ω代表脈沖寬度。
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那么,總的諧波失真THD可用下式表達:
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對式(2)求最小的總諧波失真,則最佳脈寬大約是周期T的37%;然而,這還沒有考慮到低通濾波產(chǎn)生的影響。如果用二階低通濾波器,將會得到不同的結(jié)果。在模擬時,二階低通濾波器的Q設(shè)置為2.3。如果Q很大,THD會更好,但是會造成碼間干擾,因此,最好是把正負數(shù)字脈寬設(shè)為脈沖周期的1/3長,將低通濾波器角頻率和數(shù)字脈沖序列的頻率設(shè)為相同。1/3脈寬可以通過使用12倍于發(fā)送波形頻率的定時時鐘信號來獲得,如圖5所示。通過使用1個模擬電路,將2個數(shù)字信號相加,而后低通濾波器濾掉諧波,就可以從PWM輸出獲得正弦波。
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圖5 三級波形結(jié)構(gòu)
2.5 發(fā)送放大器設(shè)計
發(fā)送放大器由SallenKey濾波器決定,發(fā)送低通濾波放大器如圖6所示。這個電路的傳輸函數(shù)如下:
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圖6 發(fā)送低通濾波放大器
這里,R1=kR,R2=R,C1=C,C2=aC。假設(shè)放大器增益為2,則vout可以表示如下:
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Q最大時濾波器的峰值最大,而當(dāng)商數(shù)k/(1+k)為1時Q最大。
因此圖6中SallenKey濾波器中的電阻R1和R2一般相等,Q根據(jù)電容的比值來確定。發(fā)送放大器有2個輸入端,2個輸入信號是從處理器的PWM輸出端中的信號過濾而來。放大器發(fā)送頻率的峰值越大,諧波頻率中的相對衰減也越大,因此,希望電阻R1、R2、R3的并聯(lián)組合與R4電阻相等,以此來獲得一個較大的Q值。
若定義R4=R,則:
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此外,定義衰減因素k為:
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然后,能根據(jù)R和k來定義電阻值:
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定義電容為C1=C,C2=aC,根據(jù)A、k、a、R和C,發(fā)送放大器的傳輸函數(shù)如下:
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其中:
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給定Q,電容比率為:
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若放大器增益A=2,且取a的較小解,則
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最后,s=0,傳輸函數(shù)增益為:
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這樣,就求得了所有定義發(fā)送放大器部件的參數(shù),通過以上的參數(shù)可以設(shè)計調(diào)制解調(diào)器模擬終端。
3 結(jié)論
本文只對電力線調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計過程進行了描述,軟件設(shè)計主要是根據(jù)CEA709協(xié)議的要求通過DSP來完成的。在設(shè)計和實現(xiàn)中還有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需解決,因篇幅所限未作詳細說明。這個基于單一定點DSP控制的調(diào)制解調(diào)器硬件系統(tǒng)在各種電力條件下進行檢測,其功能較穩(wěn)定和可靠,正應(yīng)用于智能家居的系統(tǒng)中。
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