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電力線通信有很多的優點:通信距離長，不受地形、地貌的影響，投資小，施工期短，設備簡單，實現成本低。電力線網四通八達，遍布城鄉，覆蓋范圍廣，可充分利用現有低壓電力線基礎設施，無需重新架設線路，避免了因布線而對公共設施和建筑物的損壞，節省了人力、物力。本文采用電力載波技術設計了對家電的智能控制系統，使用戶可以隨時隨地通過各種方式登錄Internet，方便地對家電進行控制。 1 系統總體設計 系統總體結構框圖如圖1所示。主控制器采用Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C52。 圖1 系統總體結構框圖 ST7538是SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的一款為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片，適用于電力載波通信網絡的應用。ST7538使用單電源運行，集成一個線性驅動器以及一個5 V線性調整器，通過內部的寄存器來進行控制，使用同步串行接口編程；諸如看門狗、時鐘輸出、輸出電流電壓控制、起始檢測、超時機制功能使用BCDV技術，在同一芯片上使用DMOS及雙極性CMOS結構。 ST7538有8種載波頻率，在同一時刻只有一種頻率可用。通信通道可以是正常模式或多頻方式的組合。通過控制寄存器可以選擇不同的頻率，發送和接收過濾器也隨之改變。 ST7538通過串行接口與主控制器交換數據。在使用RxD、TxD、CLR/T交換數據時，數據傳輸由REG_DATA和RxDx線來管理。有4種工作模式：數據發送、數據接收、讀控制寄存器、寫控制寄存器，如表1所列。 表1 ST7538的4種工作模式 線路訪問有異步和同步兩種通信方式，可以通過內部寄存器來選擇。當ST7538在數據接收模式時，內部鎖相回路恢復參考時鐘，并且在CLR/T上升沿時RxD上的數據有效。 當ST7538在數據發送模式時，參考時鐘由內部產生，并且TxD上的數據在CLR/T的上升沿被讀取。如果RxTx線被設置為1且REG_DATA=0，則ST7538進入閑置狀態，并且CLR/T被迫使為低電平。經過一段時間，調制解調器開始在RxD上提供接收到的數據。如果RxTx線被設置為0且REG_DATA=0，則ST7538進入一個閑置狀態并且發送電路打開，經過一段時間，解調器開始發送數據到TxD端口。 讀寫控制寄存器時，操作ST7538控制寄存器總是使用同步方式，且使用和主接口相同的接口線(RxD、TxD 和CLR/T) 以及REG_DATA。當REG_DATA=0并且RxTx=0時，TxD線的數據首先寫入控制寄存器的最高有效位(MSB)，在CLR/T的上升沿采樣TxD狀態。控制寄存器的內容在寄存器存取結束(REG_DATA下降沿)時更新，如果超過24位傳輸，則只有最后的24 位有效。當REG_DATA=1并且RxTx=1時，控制寄存器的內容傳送到RxD口，CLR/T上升沿時穩定，并且首先傳輸最高有效位(MSB)。 圖2 電力線接口電路 當RxTx=1、REG_DATA=0時，接收電路部分處于工作狀態。輸入信號從RAI引腳取得，以SGND為參考地，并經過帶通前置濾波(±10 kHz)，可通過設置控制寄存器23位取消前置濾波器。輸入階段在寬動態范圍內，在噪音環境下接收到很弱的信號。所應用的波形幅度由自動增益控制機構(AGC)自動調整，再經過一個窄帶帶通濾波器，之后信號被一個混頻器通過FSK調節器產生的正弦波修整，在送入FSK解調器之前通過中頻帶低通濾波器進一步改善信號，最后FSK解調器將信號傳至RX邏輯進行最后的數字濾波。當RAI引腳沒有檢測到標志或空頻率時，數字濾波能消除帶尖峰的遠大于零的噪音信號。在接收模式下，標志和空頻率必須拉開至少“波特率/2”，以便正確解調。當ST7538處在數據接收模式時,發送器電路（包括功率接口）都被關斷，這樣可以使器件達到很低的電流消耗(典型為5 mA)。 2 服務器的搭建 采用家用電腦，在電腦上安裝Microsoft IIS 服務器，并制作成網站形式，用戶可以遠程訪問屬于自己的頁面。其中，頁面上顯示出家電當前的狀態，并可以通過按鈕來發送控制命令，進而控制家電的狀態，比如燈的亮和滅。網頁采用Visual Studio 2008開發軟件，用C#語言編寫。上位機軟件和下位機主控制器采用串口進行通信，而主節點控制器和從節點控制器通過ST7538在220 V電力線上進行通信。 3 電力線接口電路設計 電力線接口電路的功能是將調制解調芯片與電力線相耦合。它的性能決定了通信效果的好壞，是實現載波通信的關鍵，主要包括發送濾波電路、接收濾波電路和耦合保護電路。發送濾波電路對ATOP1、ATOP2輸出的載波信號進行濾波，濾除摻雜在信號中的諧波噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率和一定的功率耦合到電力線上。在圖2中，由C4、L1和C3、C5、R1、L3構成一個四階帶通濾波器，所用的信道頻率為132.5 kHz；接收濾波電路用以濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲，將有用的載波信號輸入給ST7538，采用并聯諧振電路，由R2、L2、C2、C1構成二階無源帶通濾波器，中心頻率為132.5 kHz(由L2、C2的值決定)；耦合保護電路用來隔離交流220 V強電信號，其中D1、D2、D3用于防止電力線上的浪涌或沖擊等高能量信號對后級電路的損壞。ST7538的Vsense、CL腳用于引入對輸出電壓、電流進行自動增益控制的反饋信號。 從圖2中可以看出，ST7538的外圍器件相對較少。ST7538是采用FSK調制技術的高集成度電力載波芯片，內部集成了發送和接收數據的所有功能，包括功率放大、電壓/電流自動控制，因此大大簡化了應用電路。ST7538還提供了看門狗、時鐘輸出、復位、5 V/3.3 V電源輸出等，可以方便地與單片機相連接。 在電力線接口電路中，信號濾波部分是整個模塊的關鍵部分，它包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。電力線中的信號經變壓器耦合傳輸到變壓器左側，從R1和C5的連接處導入輸入濾波電路。經過C2與L2組成的并聯電流諧振電路濾波信號傳輸到ST7538的RAI端口。電容C1用于隔離可能過高的直流電壓，起保護作用。圖3為輸入濾波電路。 如圖4所示，輸出濾波電路由C1、C2、R、L串聯構成。其作用和輸入濾波電路是一樣的，都是讓特定頻率的信號通過而阻止其他頻率的無用信號。此電路是串聯電壓諧振電路，當電路中的信號頻率正好與其固定諧振頻率相等時，在電容與電感中就會發生電壓諧振，電容中的電壓與電感中的電壓正好大小相等，方向相反。此時容抗與感抗相等，電路中的電壓與電流的相位相同，電路呈現純電阻性，這種現象叫串聯諧振。 圖3 輸入濾波電路圖4 輸出濾波電路 4 單片機和ST7538接口電路設計 ST7538和單片機的通信采用SPI接口。SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)是一種同步串行外設接口，它可以使單片機與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息，如圖5所示。 圖5 ST7538與單片機的接口電路 ST7538可以使用三線接口(RxD,TxD,RxTx)與單片機進行異步連接，數據交換不需要任何額外的時鐘以及附加的協議。在數據接收模式下單片機必須恢復參考時鐘，并在發送模式時控制發送1位的時間，當未檢測到載波時RxD被強制拉成低電平。 另外，ST7538也可以使用四線接口(RxD,TxD,RxTx,CLR/T)與單片機進行同步連接。ST7538總是通信的主端，并且利用CLR/T提供時鐘參考。 ST7538和單片機的接口實際上屬于SPI總線系統，可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口。該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。在此電路中，CLR/T相當于SCK，RxD相當于MISO，TxD相當于MOSI，RxTx相當于SS, UART/SPI腳接地。數據收發控制使用的是 P2口線，當 RxTx=0、REG/DATA=0時，載波芯片處于數據發送模式，TxD輸入向電力線發送的數據；當RxTx=1、REG/DATA=0時，進入數據接收數據模式，RxD輸出從電力線上接收到的數據；REG/DATA=1時讀寫控制寄存器，設置芯片功能參數。CLR/T輸出數據收發的同步時鐘信號，與單片機的外部中斷INT0相連，單片機以中斷的方式完成對ST7538的讀寫。P2.5輸入載波偵聽信號，ST7538檢測到工作頻率的載波時，CD_PD=0；無載波時,CD_PD=1。另外，要在1.5 s內清零看門狗計數器，因為ST7538的看門狗時間是1.5 s。 結語 ST7538為家庭和工業環境應用而設計，功能強大，集成度很高，且采取了多種抗干擾技術。雖然它采用FSK調制技術，而沒有采用擴頻技術，但是正因為如此，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環境下實現可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，可以克服窄帶通信的缺點。經過實驗證明，系統運行可靠，具有較高的性價比，可以廣泛地應用到智能家庭和智能樓宇系統中。 |
