摘 要: 介紹了一種以AT89C52單片機為控制核心、以P300/P111電力線擴頻載波通訊芯片為基礎的電力線載波通訊節點的實現,闡述了系統結構及其工作原理,并指出了系統應用中應注意的問題。 

    關鍵詞: 電力線載波  單片機  P300/P111芯片

    在工業監控系統中,現場節點之間的數據通信非常重要。目前大部分數據傳送系統都是基于雙絞線、同軸電纜或光纖等物理媒介進行通訊。雖然這些通訊線路通信容量較大,但造價高、維護難。在一些危險、有害的工業環境中,迫切需要一種簡便的、易于維護的通信系統。 

    為此,在研制故障監控系統中采用了電力線擴頻載波通信的方案。該載波通信方案與其它通信方式相比有著特殊的優勢。各個現場節點只需聯到交流220V電力線上即可實現開放的通訊網絡。系統構成簡單,易于維護。由于采用了擴頻通信技術,系統具有很強的抗干擾和抗衰減能力,使其很有發展前途。系統中采用一種新器件SSC P300/P111來實現電力線載波通訊。 

1 系統的總體組成及其原理

    系統組成如圖1所示。它以單片機AT89C52為控制核心,控制SSC P300網絡接口控制器,實現具體的數據鏈路層功能包括數據包的發送和接收、發送字節到符號的轉換、接收符號到字節的轉換及CRC的產生和校驗等。這里主處理器AT89C52先將命令和數據翻譯過來提供給用戶使用,并提供上層(包含應用層和網絡層)的通迅協議。而SSC P300 IC則提供低級數據鏈路層和物理層的網絡服務。 

    SSC P300與主處理器的接口通過一個5線的串行外圍接口(SPI)完成。SPI的數據輸入(SDI)和數據輸出(SDO)線允許數據由SSC P300傳出或傳至SSC P300時對其進行計時。主處理器還提供了PI數據時鐘(SCLK)來對數據傳輸提供時序信號。SSC P300的服務請求由低電平有效的中斷信號(INT)來完成。SSC P300低電平有效的片選信號(CS)可將SPI接口置為有效或無效。而低電平有效的復位信號(RST)則由主處理器AT89C52提供。所有的主處理器AT89C52接口信號都與TTL電平兼容。 

    SSC P111媒介接口和電力線耦合部分完成緩沖放大、低通濾波和信號耦合等功能。模擬信號是通過信號入(SI)和信號出(SO)腳在SSC P300與通訊媒介(交流電力線、雙絞線等)之間進行傳輸的。 

    在發送模式下,SSC的chirps從SSC P300的SO腳傳輸到SSC P111的輸出放大器,此放大器由SSC P300的三態信號(TS)來決定其工作與否。一旦信號被放大,則輸出信號通過媒介耦合電路傳輸到媒介中去。在接收模式下,模擬通訊信號通過外部媒介耦合電路傳輸到輸入濾波器,此帶通濾波器可將頻率為100kHz～400kHz的信號傳輸到SSC P300的SI腳。 

2 發送模式電路原理

    在發送模式下,由SSC P300內部產生的chirps波形輸出到SO管腳。此信號在被加到由Q1、R8、R9和R10組成的緩存放大器之前,需經C9進行交流耦合,經R7、C12進行濾波。為了在電力線上保證按照FCC規則進行引導發射,需要對chirps信號進一步濾波。在頻率為535kHz～1705kHz的范圍內,節點輸出處的失真和噪聲幅度必須小于1mV RMS。緩存放大器電路可以降低阻抗以正確驅動由C13、C14,L1和R11組成的3極低通濾波器。 

    在預置濾波后,“chirps”信號通過C15進行交流耦合,再傳輸到SSC P111功率放大器的信號輸入腳(TXI)。此功率放大器可將信號電壓幅度增至原來的2倍。信號從SSC P111 IC的TXO腳輸出,并被電感L2濾波。之后,信號通過C18進行交流濾波,傳輸到電力線耦合電路,最后到達電力線。 

3 接收模式電路原理

    從電力線上耦合進來的chirp波信號首先經過由圖1中的R13、C20、L3、C21、L4、C22和C23組成的無源六級LC構造的外部帶通濾波器以實現帶外頻率波形衰減。經過濾波后的輸入信號要經由圖1中Q2、R14和R17組成的晶體管放大器進行緩存。此放大器的信號增益為20dB。之所以定為這個值,是因它可以提供給節點峰—峰值為1mV的靈敏電壓。而其他增益值盡管可以提高節點的靈敏度,但卻同時降低了信號對噪聲的抗干擾度。圖1中R14和R15兩個電阻為放大器設定了直流偏移點,將SSC P300 SI腳輸入的直流電平置為電源電壓的一半。同時,它們還接在輸入濾波器的端點處,其阻值大約為900Ω。而作為雙二極管封裝的CR2則將加在SSC P300 SI管腳的信號固定于設備電源提供的電壓范圍內。同時也為SSC P300提供了額外的瞬間高壓保護。 

4 電力線耦合保護模塊電路原理

    為了防止通訊線路上的瞬態作用對電路元器件造成永久性的損壞,一般電子產品內都設有瞬態保護電路。本系統是為低壓電力線通信而設計的,其保護電路尤為重要,因為低壓電力線上的雷電和開關瞬態具有很高的幅值和快速上升時間,為此必需采用特殊的保護措施。 

    耦合保護電路主要由圖2中的100系列元件組成。變壓器T101對于100kHz～400kHz的擴頻載波信號提供了一個線性的傳輸功能;電容C101限制了變壓器電流,以避免變壓器鐵芯的飽和;電阻R101在C101與電力線斷接后,可對其進行放電,減輕由于C101中儲藏的高壓而帶來的損壞或破壞設備的可能性;穩壓二極管D101和D102可用來穩定加在SSC P300模擬支持電路上的電壓;而金屬氧化物變阻器MOV101則可以在電力線瞬間高電壓下提供保護。 

5 電力“三通”的實現及原理

    在系統中,每個現場節點只有一根電源線與外界相連,功率和信號都從電源線走。所以,有效地隔離50Hz的工頻信號和100kHz～400kHz的掃頻波信號是實現這種“二線制”現場節點的關鍵。圖3給出了電力“三通”的電路原理。50Hz的工頻信號和高頻的掃頻信號同時加到電路板的耦合輸入端。其中R101和C101組成了一個高通濾波器,將220V/50Hz的工頻信號隔離開。而100kHz～400kHz的掃頻信號則可以順利通過。信號經高通濾波后再由一個12:12的高頻信號耦合變壓器耦合到內部后續電路做進一步的信號處理。事實上,該高頻耦合變壓器也是一個10kHz的高通。相應地,耦合輸入端的高頻信號在經過一個30W,220V/24V的電源變壓器T102(相當于一個低通)后,部分高頻信號被濾掉。電感L102、L103和電容C103、C104、C105組成了一個電源濾波器,進一步將功率信號上載有的高頻掃頻信號濾掉,從而得到干凈的24V電源輸出。該24V輸出經整流、穩壓后可輸出12V、9V、5V等各種不同等級的電壓供系統使用。 

6 應注意的一些問題

    (1)時鐘接口問題。SSC P300的晶振輸出腳 (XOUT)和晶振輸入腳 (XIN)將片上Pierce類型的振蕩器與外部12MHz的晶振相連。另外,還需要一個1MΩ的電阻(R5),與之并聯的晶振(Y1)和一個33pF的電容將每個晶振腳與地相連。這些電容(C7、C8)的值需要進行實驗以對印刷電路的布線電容進行補償(±10pF)。 

    (2)布線的考慮。SSC P300的節點應用在RF低頻,對微瓦等級信號進行的操作。因此,對印刷電路板的精心布線就尤為重要了。對于SSC P300電源的旁路而言,必須與IC管腳盡可能靠近。且模擬信號地必須與模擬電源和數字信號地在物理上分開,而地線必須僅固定于一個管腳。 

    (3) SSC P111瞬間保護。由于SSC P111驅動AC電力線,因而線上的瞬間電壓將會通過耦合電路返回到P111的輸出管腳上。在某些特定條件上,具有較大幅度或較大加速度的瞬間電壓會造成P111 IC的損壞,所以需要加上瞬間抑制電路以確保P111 IC的安全工作。 

    最后需要指出的是,電力線載波傳輸限于同一個電力變壓器供電范圍內,各單片機節點最好均接到同一相線上,這樣傳輸衰減小、傳距遠、傳輸效果也較好。如果要在不同相之間傳輸數據,則需要在相間跨接0.1μF耐壓630V以上的電容,實現跨相傳輸,但傳輸效果可能差很多。 

參考文獻

1 上海Waslin浩均科技有限公司.資訊光盤.