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引言 電力線通信 (PLC) 是一種通過現有電力線纜發送數據的通信技術。該技術可采用半雙工方式在 PLC 節點之間傳輸電力與數據。由于能通過相同線路同時傳輸電力及數據，因此 PLC 技術無需使用額外線路與設備互聯。PLC 可為各種廣泛應用提供低成本通信媒介，充分滿足可能采用其它技術組網成本過高的環境需求。作為通信技術，PLC 可分為兩大類： ● 寬帶 PLC 適合互聯網等高速寬帶網絡連接。它一般工作在較高頻率（1.8 至 250MHz） 和高數據速率（高達數百 Mbps）下，多為較短距離應用使用。 ● 窄帶 PLC 適用于需要窄帶控制或低帶寬數據采集的應用，這些應用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率（3 到 500KHz）和較低數據速率（幾百 kbps）下，具有較大的覆蓋范圍（達數公里），該覆蓋范圍可通過中繼器擴大。 根據底層電力線特征，PLC 還可進一步細分為 AC 電力線 PLC 和 DC 電力線 PLC。 世界各地許多公共事業單位都選擇 AC 線路窄帶 PLC 用于其智能電網項目。他們通過按日、甚至按設備或應用監控用電情況，提供能夠激勵消費者調整用電的定價結構，從而可減輕峰值負荷，避免興建新的電廠。 PLC 在智能電網應用中的廣泛采用已引起對 AC 電力線 PLC 的高度重視。不過在家庭網絡、照明和太陽能應用以及交通運輸車輛（飛機、汽車和列車中的電子控制）中，DC 電力線窄帶 PLC 也在興起。在這些應用中使用 PLC，可降低布線復雜性、重量以及通信的最終成本。 在本文中，我們將重點介紹 DC 電力線 PLC 的使用，并提供可幫助客戶迅速有效采用這一技術的參考設計。 系統集成人員常提出這樣的問題：如何比較 DC 電力線 PLC 和低功耗無線技術的優劣？雖然 DC 線路 PLC 和低功耗無線都不需要新電線布置，但使用 PLC 時，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運營商或公共事業單位所有，因此不存在共享帶寬風險。PLC 沒有視線限制，不受天氣影響。 DC PLC 解決方案的高靈活性 開發一款有效 PLC 解決方案有其難度。一般電力線噪聲大，需要穩健的系統架構才能確保數據可靠性。每個最終應用及工作環境都不同，因此需要靈活的設計來適應各種不同的條件。系統設計人員需要一款高靈活平臺，其不僅可幫助他們根據每種應用的具體要求優化設計，而且還能讓設計適應未來出現的新標準和新市場機遇。通過這種方式，可以在多種應用中重復使用知識產權，加速開發及產品上市進程，并不斷擴大市場機遇。 實現高靈活性的關鍵點是軟硬件的模塊化架構。將復雜的 PLC 系統拆分為多個獨立子系統，開發人員可在無需全部重新設計整個系統的情況下修改設計的某個方面（比如所使用的調制方案或網絡協議）。各種可實現應用的部分實例包括： ● 調制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開發人員為具體應用實施最高效率的調制方案。例如針對窄帶通信提供的幾個調制方案，包括展頻移鍵 (S-FSK) 與正交頻分多路復用 (OFDM) 調制等； ● 通信協議：為實現互操作性，設備可能需要符合具體協議標準。開發人員通過使用高靈活平臺，既可輕松實施常用的 PLC 標準（包括 S-FSK (IEC61334)、PRIME 和 G3），也可實施能滿足其應用特定需求的定制協議。 圖 1：PLC 通信協議的比較 現有標準對窄帶 DC PLC 應用規定很少，而且在許多應用中網絡處于獨立狀態。在這些情況下，可以使用較為簡單的通信協議棧。這類較簡單專有協議棧的一個具體實例是德州儀器 (TI) 的 PLC-Lite（圖 1）。該協議棧特別適合不需要 G3 及 PRIME 復雜性、但仍然需要穩健通信通道的低成本環境及應用。 對于樓宇網絡（只需幾 Kbps）中的簡易燈泡或墻壁開關而言，PLC-Lite 是理想的解決方案。PLC-Lite 不僅提供 21Kbps 的最大數據速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對某種類型的干擾提供更高的穩健性，其中包括可影響 G3 鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite 包含簡單的載波感測多路訪問與沖突避免 (CSMA/CA) 介質訪問控制 (MAC) 層，其能夠與任何應用協議棧集成。 由于結構簡單，數據速率較低，因此 PLC-Lite 每鏈路的實施成本明顯較低。此外，它還可帶來極高的靈活性，允許設計人員在行業標準限制以外定制通道鏈路。圖 2 是 PLC-Lite 完整特性集的總括。 圖 2：TI PLC-Lite 的特性 電力線接口挑戰 對于 DC PLC 實施而言，在系統中連接電力線會帶來另一重需要解決的挑戰。部分特定問題方面包括： ● 多重節點支持的阻抗控制； ● 任何電源開關的 PLC 濾波； ● 實現可靠 AC 耦合所需的電力線耦合保護電路。 (1) 多節點支持 大多數 DC PLC 實施需要支持通過單根電力線總線連接的大量節點（幾十個到幾百個），以帶來實用性。要讓傳輸信號在沒有明顯衰減的情況下達到所有節點，主要要求體現為我們熟悉的等式： 源阻抗 (2) 任何電源開關的 PLC 濾波 DC PLC 設計過程中的另一個挑戰是 PLC 節點必須使用 DC 電源才能生成本地電壓（15V、3.3V）并調制相同的 DC 電源。如果不采用適當的濾波技術，在這種情況下 DC/DC 開關電源就會對 PLC 調制造成干擾。 圖 6：電源濾波電路 如圖 6 所示，低通濾波器可將 PLC 調制信號從開關穩壓器中分開。低通濾波器的 Fc 可根據 PLC 調制占用的頻帶進行計算。由于 PLC Lite 占用 42KHz 到 90KHz，因此在 L=360 μH (180 μH + 180 μH) 和 C=1 μF 時，該低通濾波器的 Fc 就為： (3) 可靠 AC 耦合的電力線耦合保護電路 APLC 模擬前端 (AFE) 會受 DC 電源浪涌的影響。因此必須設計 AC 耦合級，PLC 節點才能在惡劣環境中可靠工作。 圖 7：第一級 AC 耦合 圖 8：第二級 AC 耦合 為確保整體系統可靠性，DC 線路不直接 AC 耦合至 AFE 器件。該線路會經過兩級 AC 耦合流程（圖 7、圖 8）。在第一級中，DC 線路先 AC 耦合至一個有 TVS 保護的中間級，這樣可針對 43.5A 的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在 9.2V。在該級中共模偏向接地。在第二級 AC 耦合中，數據在 7.5V DC 偏置電壓下 AC 耦合至 AFE 器件。 參考設計 DC（額定 24V）電力線通信 (PLC) 參考設計旨在作為評估板幫助用戶為工業應用開發最終產品，充分利用該功能在同一 DC 電力線上實現電力傳輸與通信。該參考設計能夠以極小（大約 1 英寸的直徑）的工業尺寸為主從節點的硬件及固件設計提供完整的設計指南。設計文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium 文件、光繪文件、帶應用層的完整軟件套件以及簡單易用的圖形用戶界面 (GUI)。 應用層不僅支持從節點，而且還支持主機處理器（比如 PC 或 Sitara ARM MPU）的通信（圖 9）。主機處理器只通過 USB-UART 接口與主節點通信。主節點隨后通過 PLC 與從節點通信。評估板 (EVM) 也提供簡單易用的 GUI（圖 10），其不僅通過主機處理器運行，而且還提供地址管理以及從節點狀態監控及用戶控制功能。 參考設計針對每個從節點的源阻抗進行了優化，我們可將多個從設備連接至主設備。模擬前端 (AFE) 已經添加了保護電路，能夠可靠 AC 耦合至 24V 線路。該參考設計的布局根據 AFE031 大電流線跡的布局要求進行了優化。 圖 9：參考設計的系統方框圖 圖 10：GUI 工具截圖 結論 在本文中，我們回顧了窄帶 DC 電力線 PLC 是各種工業應用聯網的有效工具的原因所在。該方案可充分發揮 AC 電力線應用的 PLC 在現有智能電網部署中的成功使用優勢。支持 PLC 的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC 電力線的連接也需要精心的設計考量，以確保系統能夠穩健地擴展至多個網絡節點。 為解決設計挑戰，幫助系統設計人員將 DC 電力線 PLC 成功運用于自己的應用，TI 推出了一款基于 TI 模擬前端 AFE031 及 C2000 微控制器[2]的 DC PLC 參考設計[1]。該參考設計配套提供完整系列的硬件設計文件、MCU 固件、基于 GUI 的應用軟件以及極為詳盡的實驗室測試結果文檔。設計人員可輕松評估該平臺，有效構建自己的最終應用。 參考資料 1.《DC 電力線通信 (PLC) 參考設計》，德州儀器 2.下載 AFE031 和 TMS320F28035 的產品說明書。 |
