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1 引言 電力線載波通信是利用現有的電力線路作為介質進行信息傳輸的一種通信方式。廣泛用于電力管理系統、工業自動控制系統、遠程控制系統、智能化小區等領域。利用電力線作為通信媒介，無需另外架設通信線路，也不占用現有的頻譜資源。但在電力線上進行信號傳輸，信號衰減大、噪聲干擾大，使得電力線載波通信的應用受到了限制，必須采用多種技術措施改善通信質量。目前，最有發展前景的解決方案是采用技術先進的CDMA擴頻通信技術。 2 CDMA擴頻通信 CDMA(碼分多址)包含二個基本技術：一個是碼分技術，另一個是多址技術。 2.1 CDMA中的碼分技術 碼分技術的基礎是擴頻技術，其目的是解決強干擾下的通信。由香農定理可知，在信號傳輸速率一定的前提下，增加帶寬可以降低對信噪比的要求。擴頻通信正是利用這一原理，用寬帶傳輸技術來獲得低的信噪比。擴頻通信系統的帶寬比常規通信系統大幾百倍，在相同信噪比的條件下，擴頻系統具有很強的抗干擾能力。CDMA中最常用的擴頻形式是用一個偽隨機碼序列與窄帶：PSK信號相乘。這樣，有用信號經擴頻處理后，頻譜被展寬了。 2.2 CDMA中的多址技術 所謂碼分多址，是指利用擴頻時使用的一組正交(或準正交)的偽隨機碼序列(地址碼)來實現多個信號同時入網接續的要求。在接收端，利用偽隨機碼的相關性進行解擴，有用信號被恢復至窄帶譜。寬帶無用信號與本地偽隨機碼不相關，不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶無用信號被本地偽隨機碼擴展成寬帶譜。這樣，只有有用信號才被壓縮、識別和提取出來。 在本系統中，通過采用PL3200型SoC。將CDMA擴頻通信應用到電力線載波通信系統。 3 PL3200型單片系統 3.1 PL3200的結構 PL3200是福星曉程公司開發的單芯片系統(SoC)。該系統采用5V單電源供電，內嵌8051型增強性高速微處理器及直序擴頻碼分多址載波通信模塊．具有成本低、功能強等特點，能夠高效地應用于電力線通信領域。圖1示出PL3200的內部結構框圖。 PL3200內嵌8／16位高性能、低功耗微處理器兼容內核ALU，同等主頻情況下，8倍速于標準8051型微處理器．數據處理能力強。配置了256B+1KBSRAM(靜態隨機存儲器)、16KB。E2PROM(電可擦除／可編程存儲器)及3個外部中斷，為用戶提供豐富的嵌入式資源和理想的應用開發平臺。另外，該系統還具有二個全雙工UART(通用異步收發器)，一個可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個可配置為RS-485通信模式。 針對智能儀表的應用要求，PL3200內置高精度電能計量電路、LCD/LED顯示控制／驅動電路、實時鐘及溫度傳感器。內置串行程序存儲器編程接口，支持在系統編程(ISP)。同時集成了完善的電壓監測，上電、掉電復位和看門狗電路，確保工業環境下運行時系統的可靠性。 3.2 通信模塊的工作原理 PL3200的載波通信模塊采用直接序列擴頻通信方式，采用多地址通信技術將要發送的信息用偽隨機碼序列擴展到較寬的頻帶上。PL3200對擴頻數據采用QPSK調制方式，其載波中心頻率為120kHz。由于該系統采用Gold／Kasami序列，從而實現了碼分多址，其地址數目最多可達40個，其中有32個Gold序列。8個Kasami序列。 PL3200在接收端用同樣的偽碼序列來恢復信息。接收過程包括載波信號的捕獲和同步。捕獲是接收模塊在擴頻序列精確同步前搜索接收信號，使接收信號的擴頻序列與本地擴頻序列在相位上進入可同步保持的范圍，即二者的相位在一個擴頻序列碼元之內。捕獲完成后進入跟蹤階段，使本地偽碼能夠自動接收到信號的偽隨機碼保持精確同步。跟蹤電路采用全數字基帶延遲鎖定環。 PL3200載波通信單元的具體設定是通過對載波通信寄存器組不同地址的寄存器寫入對應的控制字來實現的。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來指示載波通信單元處于收態還是發態，以及數據和幀頭的接收發送標志；02H、03H的寄存器可設置選擇偽碼的種類、地址選擇位和速率等；04H的寄存器用來設置本地與接收到的偽碼序列相位同步的捕獲門限值；05H的寄存器用于設定本地與發送端偽碼序列相位同步的精確同步門限值。 4 CDMA擴頻載波通信系統 4.1 通信系統的組成 本文基于PL3200設計了CDMA擴頻電力線載波通信系統，具體組成如圖2所示。 數據由主機A(或主機B)的串口RS-232發出，通過PC接口電路進行電平轉換后送入PL3200。在PL3200中，先由擴展串口UART(通用異步收發器)接收數據，經內嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對數據進行CDMA直接序列擴頻．擴頻后的信號經120kHz的載波頻率調制后輸出。此信號通過電力線接口電路進行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線上，實現電力線載波通信。在接收端．經過電力線接口電路將電力線上的信號耦合出來并對信號進行濾波限幅。限幅后的信號送入PL3200進行捕獲、同步及解擴處理，經由內嵌8051處理．由PL3200的UART串口發送數據。數據經PC接口電路進行電平轉換后，由PC的RS-232接口送到主機B(或主機A)。 4.2 PC接口電路 本文主機A、B都采用PC。PL3200帶有1個RS-485串行口，而PC一般只有2個RS-232串行口。為了實現普通PC與PL3200的連接，本文設計了一個接口電路，如圖3所示。圖中，MAX232是+5V電源的收發器，與計算機串口連接，實現RS-232接口信號和TTL，信號的電平轉換。MAX485用來實現TTL與RS-485的電平轉換。也可以采用工業控制計算機作為主機。工業控制計算機本身帶有RS-485接口，可直接與PL3200連接，但工業控制計算機的價格要比普通PC高得多。 4.3 電力線載波接口電路 實現優質高效電力線載波通信的關鍵，除了所選用的載波調制解調器外，還有相應的電力線載波接口電路。本文電力線載波接口電路將PL3200的載波調制解調與電力線耦合，實現載波信號在電力線上的傳輸。電力線接口電路包括發送部分、載波耦合部分和接收部分，如圖4所示。 (1)發送部分 發送部分對PL3200輸出的載波調制信號進行功率放大，濾除摻雜在信號中的噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率傳輸到低壓電力線上。圖4中，T1、T2構成NPN型復合管，T3、T4構成PNP型復合管，從而組成互補對稱功率放大電路。其中，T2、T4采用同一型號的大功率管，以實現二者的特性曲線對稱。PL3200產生的載波信號由P1.7輸出，經功率放大電路放大后，含有諧波。系統主要的傳輸干擾頻率是發送信號的二次諧波和三次諧波(PL3200的載波中心頻率為120kHz，二次諧波和三次諧波分別為240k。Hz和360kHz)，為了減少對電網的諧波污染，需進行濾波整形。電容器C4和電感器L2組成的帶通濾波電路對發送的載波信號進行整形濾波。 (2)載波耦合部分 當PL3200處于發送狀態時，載波耦合部分將PL3200產生的擴頻調制信號耦合到低壓電力線上：當PL3200處于接收狀態時，載波耦合部分將低壓電力線上的載波信號耦合過來，由SICIN腳送入PL3200。載波耦合部分由變壓器T、電容器C5和電感器L3組成。變壓器T選用1：1的隔離變壓器。電容器C5將變壓器與電力線隔離．過濾電力線上的50Hz的信號，這樣就會阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過。萬一電容器C5因短路而失去過濾50Hz信號的能力，接口電路就會被損壞。故C5要選用具有短路保護功能的X2型電容器。電容器C5和電感器L3還組成帶通濾波器，對載波信號進一步濾波。 (3)接收部分 接收電路濾除來自電網中的噪聲，這些噪聲會降低PL3200的解調功能。對于接收電路，選用無源濾波器要優于有源濾波器，這是因為有源濾波器會產生一個與接收信號相當的白噪聲。本系統選用無源帶通濾波器(由C3、L1和R7組成)，采用并聯諧振回路形式。并聯回路的中心頻率由電容器C3和電感器L1的值決定，設計為120kHz。 為了避免低壓電力線上的尖峰信號對接口電路的破壞，可用雙向穩壓管保護。當接收信號電壓值等于或大于穩壓管的穩壓值時，穩壓管將接收信號的電位箝制在穩壓值，從而保證接口電路不會被燒壞。一般，火線與零線問的干擾為差模干擾；火線與地線。零線與地線間的干擾為共模干擾。采用一個雙向穩壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用；當出現共模尖峰信號時就會對電路造成損壞。本系統采用3個二極管D3、D4和D5連成星形結構，如圖4所示。對于差模尖峰信號，D3和D4構成一個雙向穩壓管；對于共模尖峰信號，這種星形結構相當于2個雙向穩壓管（D3和D5，D4和D5)。 5 載波通信系統的軟件設計 本系統的載波通信為總線方式通信，載波單元的常態必須設置為接收態，對不同的載波模塊可分配不同的通信地址。模塊接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規約進行應答。載波通信速率相對于主頻低很多，為了提高CPU效率，數據的接收和發送均設計為中斷方式處理，每次進入中斷，完成對數據接收或發送的操作。系統主程序流程如圖5所示。 6 結束語 筆者設計的CDMA擴頻電力線載波通信系統，由于選用PL3200充當通信電路，因而具有很好的抗干擾性能。在對接口電路的設計中，根據實際線路的情況，選擇合適的電容器和電感等元件，選用性能更佳的功率放大電路。便可達到低成本、遠距離、高質量的通信效果。 |
