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1 國(guó)內(nèi)電力線(xiàn)載波的應(yīng)用 在電力系統(tǒng)中，由于電力線(xiàn)載波使用堅(jiān)固可靠的高壓電力線(xiàn)作為信號(hào)的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設(shè)投資，再加上電力線(xiàn)載波信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時(shí)復(fù)用遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)等特點(diǎn)，使得這種電力系統(tǒng)獨(dú)有的通信方式在數(shù)字微波、一點(diǎn)多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現(xiàn)的今天仍得到持續(xù)的發(fā)展。 由于數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近，因此電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用MODEM芯片。國(guó)外在電力線(xiàn)載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國(guó)外公司陸續(xù)推出了自己的電力線(xiàn)載波MODEM芯片，并制定了電力線(xiàn)載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。由于國(guó)外電力線(xiàn)載波MODEM芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)的，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，因此在國(guó)內(nèi)使用都難盡如人意。 電力線(xiàn)載波MODEM芯片雖然容易使用，但它的中心頻率和頻偏比較固定，對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合就難以發(fā)揮作用。因此有根據(jù)特殊應(yīng)用來(lái)開(kāi)發(fā)電力線(xiàn)載波MODEM的必要。以下討論的就是一個(gè)應(yīng)用于100kV 的高壓電力線(xiàn)FSK MODEM的設(shè)計(jì)。 2 實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)載波通信的難點(diǎn) 由于電力線(xiàn)是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線(xiàn)通信具有以下特點(diǎn)。 ①配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。 ②三相電力線(xiàn)間有很大信號(hào)損失（10dB～30dB）。通信距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線(xiàn)上傳輸。 ③不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同，耦合方式有線(xiàn)-地耦合和線(xiàn)-中線(xiàn)耦合。與線(xiàn)-中線(xiàn)耦合方式相比，線(xiàn)-地耦合方式電力載波信號(hào)損失十幾dB，但線(xiàn)-地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。 ④電力線(xiàn)存在脈沖干擾。目前國(guó)內(nèi)使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值。兩次峰值會(huì)帶來(lái)兩次脈沖干擾，因此電力線(xiàn)上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨毤右蕴幚怼Ｓ幸环N利用波形過(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場(chǎng)通信數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以難以應(yīng)用。 ⑤電力線(xiàn)對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線(xiàn)上負(fù)荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線(xiàn)空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆譳m。但當(dāng)電力線(xiàn)上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十m。因此，只有通過(guò)進(jìn)一步提高載波信號(hào)功率來(lái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｌ岣咻d波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。 因此電力線(xiàn)上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線(xiàn)成為一個(gè)不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線(xiàn)載波通信已成為可能。 3 系統(tǒng)組成及工作原理 如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：調(diào)制部分和解調(diào)部分。 
待解調(diào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流通過(guò)輸入緩沖器后進(jìn)入調(diào)制模塊。調(diào)制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過(guò)輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線(xiàn)路上。 待解調(diào)的FSK正弦波通過(guò)輸入放大器，波形變換電路變換成為FSK方波，在輸入到解調(diào)模塊解頻之后，經(jīng)過(guò)輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。 在下面我們將對(duì)這兩部分作詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。 3.1 調(diào)制部分 調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)為‘1‘時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數(shù)據(jù)為‘0‘時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。 輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)緩沖隔離后，由CPLD采樣來(lái)判斷當(dāng)前輸入電平的高低，并在FSK信號(hào)輸出端產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波。表1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的方波頻率表。 表1 調(diào)制規(guī)則表
隨著二進(jìn)制數(shù)據(jù)的跳變，在FSK信號(hào)輸出端產(chǎn)生不同頻率的方波，從而形成了FSK調(diào)制波形（方波）。 由于方波是由無(wú)窮個(gè)逐次倍頻的正弦波組成的，如下式所示：
ω0=2πf，f為基頻，就是方波的頻率。 所以我們可以在CPLD的FSK信號(hào)輸出端后，加入一個(gè)低通濾波器來(lái)濾除方波的高頻諧波分量，濾波器輸出的則是對(duì)應(yīng)于方波的同頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)緩沖放大后即可輸出FSK信號(hào)。 3.2 解調(diào)部分 FSK信號(hào)是通過(guò)波形變換電路（由比較電路及緩沖放大電路組成）變換成為同頻同相的方波。CPLD對(duì)方波進(jìn)行頻率識(shí)別，并在數(shù)據(jù)輸出端輸出解頻后的數(shù)據(jù)流。 3.3 技術(shù)指標(biāo) 載波上限頻率—3260Hz。 載波下限頻率—2460Hz。 載波中心頻率—2860Hz。 波特率—300bps，600bps，1200bps。 調(diào)制方式—FSK。數(shù)據(jù)為‘1‘時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間的正弦波；數(shù)據(jù)為‘0‘時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。 4 硬件設(shè)計(jì) 4.1 輸入緩沖及輸出緩沖 計(jì)算機(jī)一般是通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)，所以要用RS232TTL轉(zhuǎn)換芯片MAX232來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)緩沖器CD4050來(lái)隔離并驅(qū)動(dòng)后級(jí)，如圖2所示。
4.2 輸出濾波器，輸出放大器 因?yàn)樾枰獮V掉載波下限頻率的三次倍頻7380Hz（2460Hz×3）以上的頻率，因此該濾波器的截至頻率設(shè)計(jì)為 4000Hz（>3260Hz）。為了減小體積，這里采用了Maxim公司的開(kāi)關(guān)電容（switched capacitor）濾波器MAX7411。MAX7411是一個(gè)五階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，具有非常快的下降度且電路十分簡(jiǎn)潔。圖3是由 MAX7411構(gòu)成的濾波器。
INPUT為輸入頻率fIN，OUTPUT為輸出頻率fout‘CLOCK為截至頻率fc。該濾波器的效果如表2所列。 由表2可見(jiàn)，在1.25fc處信號(hào)衰減達(dá)到-38.5dB，已經(jīng)可以忽略了。 表2 MAX7411的濾波參數(shù)
我們的截止頻率是4000Hz，即4000=1.25×fC。所以fc=3200Hz。該頻率由CPLD產(chǎn)生。 為了能夠推動(dòng)后級(jí)設(shè)備，必須在濾波器之后加上輸出放大器，這里采用FC411。電路為普通的反相放大器電路。 4.3 輸入放大器和波形變換電路 如圖4所示，輸入的FSK和正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放TLE2037放大后，輸入比較器LM311進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。由于在接地處有較強(qiáng)的噪音，因此必須在電路設(shè)計(jì)上考慮抗干擾的問(wèn)題，如采取隔離、浮地等措施。LM311是一款高速比較器，比較速度最在為165ns，它的輸出兼容TTL和MOS電路。 LM311通過(guò)過(guò)零檢測(cè)，把FSK波形轉(zhuǎn)換成方波輸入CPLD，由CPLD進(jìn)行頻率分析，從而實(shí)現(xiàn)解頻的目的。
5 軟件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)軟件最主要的部分就是調(diào)制和解調(diào)軟件的設(shè)計(jì)，還有一部分是濾波器的時(shí)鐘產(chǎn)生及工作狀態(tài)指示與工作模式選擇。 此系統(tǒng)可以選擇300bps、600bps、1200bps三種波特率，由外部的跳線(xiàn)決定。 工作指示用來(lái)指示波特率及系統(tǒng)是否繁忙。如果需要還可以輸出同步的時(shí)鐘信號(hào)。 5.1 調(diào)制部分 如圖5所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入引腳的狀態(tài)，如果狀態(tài)變化，則檢測(cè)當(dāng)前的波形是否完整（為了保證相位的穩(wěn)定，要求必須在最靠近波形零點(diǎn)的地址切換頻率），如是則切換輸出頻率。
5.2 解調(diào)部分 如圖6所示，在時(shí)鐘的上升沿檢測(cè)FSK信號(hào)的頻率，并切換輸出的數(shù)據(jù)。
結(jié)語(yǔ) 原來(lái)采用MCU調(diào)制和解調(diào)，但是MCU的速度極大的影響了系統(tǒng)性能，尤其是抗干擾能力，使得決定采用高速的比較器和CPLD來(lái)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，使得系統(tǒng)的整體性能得到了較大的提高，目前已用于100kV的高壓電力線(xiàn)上的控制數(shù)據(jù)傳輸。 參考文獻(xiàn) 1. 林明權(quán) VHDL 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)范例 2003 2. 宋萬(wàn)杰 CPLD 技術(shù)及其應(yīng)用 2002 作 者：電子科技大學(xué) 歐磊 張紅雨 來(lái) 源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用2004（1） |
