國內(nèi)電力線載波數(shù)傳模塊的研發(fā)分析
1 電力線載波數(shù)傳模塊簡介
電力載波通信通過電力線載波數(shù)傳模塊將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后再通過電力線載波數(shù)傳模塊，將高頻信號從電力線上分離出來傳送到終端設(shè)備。電力線載波數(shù)傳模塊在電力載波通信網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著主機與節(jié)點、節(jié)點與節(jié)點間信息傳輸任務(wù)，起著運輸樞紐作用，具體如圖1所示。
電力線載波數(shù)傳模塊通常是指，利用現(xiàn)有電力載波芯片結(jié)合單片機(SCM)控制處理和外圍電路開發(fā)出來進(jìn)行實際低壓電力載波數(shù)字通信的通信模塊。國內(nèi)生產(chǎn)的某些芯片本身內(nèi)嵌增強型8051微處理器，無需開發(fā)人員另外配置微處理器及外圍電路。電力線載波數(shù)傳模塊的設(shè)計內(nèi)容通常包括電力線載波通信芯片的選擇、耦合電路以及載波芯片和SCM所需外圍電路等。電力線載波數(shù)傳模塊是PLC技術(shù)的實際應(yīng)用，是電力線載波通信廣泛應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)。在整個電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，必須依靠電力載波通信模塊來實現(xiàn)設(shè)備終端與數(shù)據(jù)采集器間的數(shù)據(jù)交換，具有廣泛的研究意義。
2 國內(nèi)適用電力線載波Modem芯片介紹
國外對電力線載波通訊技術(shù)的研究較早、技術(shù)水平較為前沿，多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)(480 Y／277 V，208 Y／120 Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100～450 kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400 Y／230 Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9~150 kHz。各公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計出各自的電力線載波Modem芯片。由于國外電力線載波Modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計，在國內(nèi)使用都難盡如人意。目前，在我
國一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強使用的電力線載波Modem芯片有以下幾種：
(1)ST7536、ST7538、ST7540
ST7536是SGS一Thomson(ST)公司為電力線載波通訊而設(shè)計的專用Modem芯片，除有一般Modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。ST7536是較早的電力線載波Modem芯片之一，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是FSK方式，3 bit容錯，它最高波特率為400 bsp。但它無CSMA(網(wǎng)絡(luò)載波偵聽)功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域，ST7536是最適合的Modem芯片。但它的通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。ST7538是ST公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的半雙工、同步／異步FSK(調(diào)頻)單芯片電力線調(diào)制解調(diào)器芯片。與ST7536和ST7537相比，主要特點是：有8個工作頻段，可編程通信速率高達(dá)4 800 bps；提供過零檢測功能。
ST7540具有8個可編程發(fā)送頻率，即：60 kHz、66 kHz、72 kHz、76 kHz、82．05 kHz、86 kHz、110．kHz和132．5 kHz，可編程波特速率最高為4 800 B／s，接收靈敏度可達(dá)500 μV(rms)，同時具有UART／SPI主接口，采用單電源7．5~12．5 V工作，內(nèi)部集成線路驅(qū)動器和5 V、3．3 V兩個線性調(diào)整器，電流高達(dá)50 mA，數(shù)字電壓為3．3 V或5．0 V，具有非常低的功耗，靜態(tài)電流5 mA。在控制方面，ST7540芯片工作通過內(nèi)部寄存器控制和同步串行接口來編程。ST7540還具有看門狗定時器、時鐘輸出、輸出電壓和電流控制、載波或前同步檢測、可暫停工作和使用等功能，與前期的電力線收發(fā)芯片兼容，為用戶的使用帶來極大方便。
(2)SSCP200／300、INT5130、INT5IXl
SSCP200／300(Spread Spectrum Communication)是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計的電力線載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可以稱為智能Modem芯片，體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢。InteHon公司2000年推出的Int5130芯片集，主要面向在電力線上實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)通信。INT5130與INT 1000收發(fā)器配合使用，采用OFDM技術(shù)，通信速率達(dá)到14Mbps，收發(fā)器的信噪比SNR為45～50 dB。
INT5lXl是Intellon公司采用OFDM技術(shù)研制的一塊理想的基于PLC寬帶接入的調(diào)制／解調(diào)芯片，它在4．3～20．9 MHz的頻帶范圍內(nèi)共用84個載波，采用DBPSK／DQPSK調(diào)制原理，使其最高傳輸速率可達(dá)14 Mbps。作為一款電力包集成收發(fā)器，INT51X1能利用高頻特性惡劣的電力線來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數(shù)據(jù)處理功能及對外相關(guān)接口，因此使用時僅需進(jìn)行簡單的初始化而不需復(fù)雜的編程，使用非常方便。
(3)PLT一22、PL3120、PL3150
美國Echelon公司的LonWorks電力載波芯片，采用窄帶BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，性能良好。以該芯片為核心的采集終端，可通過兩個電力線載波頻率進(jìn)行雙向傳輸通信，能自動解決電力線通信能力惡化的問題，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中管理及儲存；電力線調(diào)制解調(diào)器通過網(wǎng)線與主站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)資料的上傳以及系統(tǒng)的監(jiān)控等；主站系統(tǒng)又以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，提供各地區(qū)所有數(shù)據(jù)資料的集中管理，既能作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在我國應(yīng)用效果很理想，但它是Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，而且價格太高，難以在民用市場領(lǐng)域大規(guī)模推廣。
(4)MAX2986
Maxim公司生產(chǎn)的電力線通信收發(fā)芯片，該芯片完全兼容于Homeplugl．0協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)14 Mbps，可以滿足寬帶通信的需求。MAX2986電力線收發(fā)器利用了當(dāng)前最高發(fā)展水平的CMOS設(shè)計技術(shù)，提供更高的性能指標(biāo)和靈活性。這款高度集成的芯片內(nèi)包含了媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)。MAX2986數(shù)字基帶與配套器件MAX2980模擬前端(AFE)一起，利用了Maxim先進(jìn)的OFDM電力線引擎，提供高達(dá)14 Mbps的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，可提供完整的高速電力線通信解決方案。該器件非常適合于以下應(yīng)用：局域網(wǎng)(LAN)、音頻、語音、家庭自動化、工業(yè)自動化以及電力線寬帶(BPL)。
(5)HYT3101
針對電力線載波通信的困難，特別是我國電力線的特殊情況，深圳吳元設(shè)計了一款專用于電力線載波通信的芯片HYll3101。它具有以下特點來改進(jìn)以往芯片存在的不足：(1)能承受比國際標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻的條件和要求，具有卓越的點對點通信性能；(2)HYl3101內(nèi)部的通信模塊按EIA709．1、EIA709．2以及EN50065—1等國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，和國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，兼容性強；(3)HYT3101能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)干擾和信號功率，能夠檢測節(jié)點所在相位，為系統(tǒng)的路由／中繼和系統(tǒng)的自適應(yīng)提供了物理上的基礎(chǔ)，保證了整個系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動學(xué)習(xí)；(4)內(nèi)嵌適合于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層和應(yīng)用層等的上層通信協(xié)議，與EIA一709．1兼容。
(6)PL3105、PL3200
此系列為國內(nèi)某公司自主開發(fā)的產(chǎn)品，PL3105是專為自動抄表、智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單芯片片上系統(tǒng)SoC(System onChip)。采用805l指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內(nèi)嵌的載波通信單元使其具備了在低壓電力線上組網(wǎng)遠(yuǎn)程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內(nèi)同頻干擾能力、靈敏度高的優(yōu)點；集成了完善的電壓監(jiān)測上電掉電復(fù)位看門狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性。PL3200是在PL2000的基礎(chǔ)上開發(fā)的帶計量的載波通信芯片。
(7)MI200E
MI200E是彌亞微電子(中國)公司自主研發(fā)的一款專門針對低壓電力載波信道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的高集成度、高性能的網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片。MI200E可廣泛應(yīng)用于電力、供水、供氣等遠(yuǎn)程抄表(AMR)及能源管理領(lǐng)域。MI200E集成了載波通信調(diào)制解調(diào)器物理層所需的所有部件，由低噪聲放大器、可編程帶通濾波器、限幅放大器、過零點檢測電路、全數(shù)字AC同步檢測鎖相環(huán)路、SPITM接口、DSP運算模塊、擴頻調(diào)制／解調(diào)器、基帶成型濾波器、前向糾錯編碼／解碼器、CRC一16編解碼、數(shù)字上變頻／下變頻、數(shù)字功率放大器等部分組成。
3 電力線載波數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案
國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊總體設(shè)計框架基本一致，絕大部分研發(fā)人員以國內(nèi)外各電力線載波Modem芯片商開發(fā)的電力線載波Modem芯片為平臺，結(jié)合單片機控制芯片進(jìn)行模塊化產(chǎn)品設(shè)計。由于單片機技術(shù)的廣泛發(fā)展應(yīng)用，控制芯片的選取較為靈活，只要其資源能滿足控制應(yīng)用即可，甚至部分國內(nèi)自主研發(fā)的載波芯片產(chǎn)品本身已經(jīng)內(nèi)嵌微處理器，為設(shè)計人員提供了方便。
通常電力線載波Modem芯片的選取根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同而進(jìn)行針對性的不同選用，因此，目前國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊的不同實現(xiàn)方案。在模塊功能上，主要區(qū)別在于電力線載波Modem芯片的選取不同。在整體結(jié)構(gòu)上，區(qū)分在于是否采用集成程度較高的電力線載波Modem芯片。部分不采用電力線載波Modem芯片的研發(fā)人員，從最基本的理論出發(fā)，根據(jù)具體需要，自主設(shè)計調(diào)制解調(diào)電路和單片機控制電路及其外圍電路。
國內(nèi)上述電力載波通信數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案都有應(yīng)用，比如，某大學(xué)應(yīng)用北京某公司自主開發(fā)的PL3l05電力線載波Modem芯片，結(jié)合對照明網(wǎng)絡(luò)開關(guān)控制的需要，分別開發(fā)出總控制器，組控制器和終端控制器3種不同功能的數(shù)傳模塊。其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。山東某大學(xué)大學(xué)基于較新一代的PL3200電力線載波Modem芯片進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總體解決方案與之具有繼承性。
此方案優(yōu)點是：采用國內(nèi)自主研制芯片，針對性強，更加符合我國國情的電力通信網(wǎng)。硬件設(shè)計上，芯片本身內(nèi)嵌增強型8051微處理器，集成度高，試驗和實際應(yīng)用表明通信距離可結(jié)合其它技術(shù)方式進(jìn)行擴展，通信誤碼率低。缺點是，單一通信信道的局限性，導(dǎo)致只適合中小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。其中，基于PL3200的電力載波通信系統(tǒng)，選擇在電網(wǎng)區(qū)域用戶密集、電網(wǎng)分叉復(fù)雜、 供電覆蓋范圍大的惡劣信道環(huán)境下測試，通信速度：500 bps，環(huán)境溫度：23～28℃。(1)通信距離：30 m，誤碼率：0，誤包率：0；(2)通信距離：200 m，誤碼率：<10-3，誤包率：<10-2；(3)通信距離：300 m，誤碼率：<10-3，誤包率：約10-2；(4)通信距離：400 m，誤碼率：約17％，誤包率：約50％。
上海某大學(xué)的研究人員沒有利用現(xiàn)成的電力線載波Modem芯片，其數(shù)傳模塊設(shè)計由5部分組成：單片機通信機側(cè)的接口電路(包含RS一232：MAX202．RS一485：MAxl487)、單片機控制電路、電源電路(包括交流濾波器、變壓器、整流橋、LM2576—5、LM7815 LM7915)、調(diào)制解調(diào)電路和電力線藕合電路等。整個通信控制器的工作原理如下：來自通信機的數(shù)字信號接到RS一232(或RS一485)插座上，通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202(或MAXl487)和單片機相連，這樣就可以進(jìn)行單片機和通信機之間的信息交換；單片機控制系統(tǒng)是通信機和調(diào)制解調(diào)器之間連接的紐帶，在這里不但要完成數(shù)據(jù)的存儲，而且還要完成控制調(diào)制解調(diào)器的接收和發(fā)送功能；電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)給單片機、MAX202、MAXl487以及調(diào)制解調(diào)器中各芯片供電。調(diào)制解調(diào)電路將單片機和電力線連接起來，是整個通信控制器和電力線之間的接口。在這里，它將來自單片機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成跳頻信號，通過變壓器藕合到電力線上發(fā)送出去；同時，它也將來自電力線上的跳頻信號解調(diào)成數(shù)字信號，發(fā)送給單片機，然后通過電平轉(zhuǎn)換，單片機將所接收到的數(shù)字信號發(fā)送給通信機。這樣就完成了通信機間的通信過程。
此方案優(yōu)點是：不采用專門的電力線載波Modem芯片，能根據(jù)具體需求選擇和設(shè)計具體電路，冗余設(shè)置少、資源利用率高、開發(fā)成本較小，但是開發(fā)難度較大，通信可靠性相對較大。使用同一微機的串口模擬雙機通信，取15 m長的電力線連接測試，電力線上連有一個40 W的可調(diào)光臺燈以及一個850 W帶開關(guān)的電熱水壺。波特率：300 bps，測試時間：24小時，發(fā)送次數(shù)：42 853(每2 s發(fā)一次)，正確接收次數(shù)：39 214，成功率：91．51％。
由意法半導(dǎo)體(ST)設(shè)計生產(chǎn)的新型電力線收發(fā)芯片ST7540，于2006年推出，支持多種獨有或開放的FSK調(diào)制技術(shù)通信協(xié)議，其中包括EHS和Konnex(EN50090)，ST7540內(nèi)置了FSK調(diào)制解調(diào)模塊、串行接口模塊、振蕩器模塊、電壓及電流控制模塊、濾波器、自動電平控制等電路，與前期產(chǎn)品ST7538的44個管腳不同的是，ST7540共有28個管腳，管腳數(shù)量大大減小，使用更加方便。一直以來，ST公司的ST7536、ST7538在國內(nèi)應(yīng)用成功案例較多，效果較好。在單片機的選擇上，美國微芯公司的PIC單片機經(jīng)濟實惠，可以根據(jù)不同應(yīng)用選擇合理資源配置的芯片型號。因此，基于PIC單片機和ST7540的數(shù)傳模塊解決方案，具有很大的優(yōu)越性和研究價值，近年來，受到很多相關(guān)研究人員和機構(gòu)的關(guān)注。
4 急需解決的技術(shù)問題及發(fā)展方向
電力載波通信數(shù)傳模塊設(shè)計，目前需解決的問題是：
(1)進(jìn)一步研究PLC通信理論，改進(jìn)信號處理技術(shù)和編碼技術(shù)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)PLC特殊的環(huán)境。提高自適應(yīng)信道均衡、回波抵消技術(shù)、自適應(yīng)增益調(diào)整等技術(shù)水平，為低壓PLC通信的安全可靠提供保障；
(2)針對應(yīng)用領(lǐng)域和通信環(huán)境，選取合理的電力載波通信芯片和MCU，設(shè)計有效的耦合電路，采用科學(xué)的通信協(xié)議，降低通信誤碼率，提高模塊通信穩(wěn)定可靠性。
基于國內(nèi)巨大應(yīng)用市場需求，伴隨著國內(nèi)外電力載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，電力載波數(shù)傳模塊的研發(fā)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者和生產(chǎn)商的關(guān)注。適應(yīng)國際化通信標(biāo)準(zhǔn)，符合國內(nèi)實際，滿足國內(nèi)需求，逐步走向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用是我國電力載波通信和數(shù)傳模塊研發(fā)的發(fā)展趨勢和走向。
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