基于電力載波芯片的家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要: 以單片機(jī)作為主控制器，利用家里的220 V電力線作為信息傳輸媒介，采用電力載波芯片ST7538實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的信號(hào)采集及對(duì)智能控制；軟件采用C#編程，將家中個(gè)人電腦作為服務(wù)器，并以網(wǎng)站形式使用戶可以遠(yuǎn)程登錄，從而形成一套對(duì)家電的智能控制系統(tǒng)。用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)各種方式登錄Internet，方便地對(duì)家電進(jìn)行控制，并可以隨時(shí)查詢家電的各種狀態(tài)。

　　引言

　　電力線通信有很多的優(yōu)點(diǎn):通信距離長(zhǎng)，不受地形、地貌的影響，投資小，施工期短，設(shè)備簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低。電力線網(wǎng)四通八達(dá)，遍布城鄉(xiāng)，覆蓋范圍廣，可充分利用現(xiàn)有低壓電力線基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)需重新架設(shè)線路，避免了因布線而對(duì)公共設(shè)施和建筑物的損壞，節(jié)省了人力、物力。本文采用電力載波技術(shù)設(shè)計(jì)了對(duì)家電的智能控制系統(tǒng)，使用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)各種方式登錄Internet，方便地對(duì)家電進(jìn)行控制。

　　1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控制器采用Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C52。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　ST7538是SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片，適用于電力載波通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。ST7538使用單電源運(yùn)行，集成一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè)5 V線性調(diào)整器，通過(guò)內(nèi)部的寄存器來(lái)進(jìn)行控制，使用同步串行接口編程；諸如看門狗、時(shí)鐘輸出、輸出電流電壓控制、起始檢測(cè)、超時(shí)機(jī)制功能使用BCDV技術(shù)，在同一芯片上使用DMOS及雙極性CMOS結(jié)構(gòu)。

　　ST7538有8種載波頻率，在同一時(shí)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(guò)控制寄存器可以選擇不同的頻率，發(fā)送和接收過(guò)濾器也隨之改變。

　　ST7538通過(guò)串行接口與主控制器交換數(shù)據(jù)。在使用RxD、TxD、CLR/T交換數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸由REG_DATA和RxDx線來(lái)管理。有4種工作模式：數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、讀控制寄存器、寫(xiě)控制寄存器，如表1所列。

表1  ST7538的4種工作模式

　　線路訪問(wèn)有異步和同步兩種通信方式，可以通過(guò)內(nèi)部寄存器來(lái)選擇。當(dāng)ST7538在數(shù)據(jù)接收模式時(shí)，內(nèi)部鎖相回路恢復(fù)參考時(shí)鐘，并且在CLR/T上升沿時(shí)RxD上的數(shù)據(jù)有效。

　　當(dāng)ST7538在數(shù)據(jù)發(fā)送模式時(shí)，參考時(shí)鐘由內(nèi)部產(chǎn)生，并且TxD上的數(shù)據(jù)在CLR/T的上升沿被讀取。如果RxTx線被設(shè)置為1且REG_DATA=0，則ST7538進(jìn)入閑置狀態(tài)，并且CLR/T被迫使為低電平。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，調(diào)制解調(diào)器開(kāi)始在RxD上提供接收到的數(shù)據(jù)。如果RxTx線被設(shè)置為0且REG_DATA=0，則ST7538進(jìn)入一個(gè)閑置狀態(tài)并且發(fā)送電路打開(kāi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，解調(diào)器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)到TxD端口。

　　讀寫(xiě)控制寄存器時(shí)，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(dāng)REG_DATA=0并且RxTx=0時(shí)，TxD線的數(shù)據(jù)首先寫(xiě)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(tài)?？刂萍拇嫫鞯膬?nèi)容在寄存器存取結(jié)束(REG_DATA下降沿)時(shí)更新，如果超過(guò)24位傳輸，則只有最后的24 位有效。當(dāng)REG_DATA=1并且RxTx=1時(shí)，控制寄存器的內(nèi)容傳送到RxD口，CLR/T上升沿時(shí)穩(wěn)定，并且首先傳輸最高有效位(MSB)。

圖2  電力線接口電路

　　當(dāng)RxTx=1、REG_DATA=0時(shí)，接收電路部分處于工作狀態(tài)。輸入信號(hào)從RAI引腳取得，以SGND為參考地，并經(jīng)過(guò)帶通前置濾波(±10 kHz)，可通過(guò)設(shè)置控制寄存器23位取消前置濾波器。輸入階段在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，在噪音環(huán)境下接收到很弱的信號(hào)。所應(yīng)用的波形幅度由自動(dòng)增益控制機(jī)構(gòu)(AGC)自動(dòng)調(diào)整，再經(jīng)過(guò)一個(gè)窄帶帶通濾波器，之后信號(hào)被一個(gè)混頻器通過(guò)FSK調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的正弦波修整，在送入FSK解調(diào)器之前通過(guò)中頻帶低通濾波器進(jìn)一步改善信號(hào)，最后FSK解調(diào)器將信號(hào)傳至RX邏輯進(jìn)行最后的數(shù)字濾波。當(dāng)RAI引腳沒(méi)有檢測(cè)到標(biāo)志或空頻率時(shí)，數(shù)字濾波能消除帶尖峰的遠(yuǎn)大于零的噪音信號(hào)。在接收模式下，標(biāo)志和空頻率必須拉開(kāi)至少“波特率/2”，以便正確解調(diào)。當(dāng)ST7538處在數(shù)據(jù)接收模式時(shí),發(fā)送器電路（包括功率接口）都被關(guān)斷，這樣可以使器件達(dá)到很低的電流消耗(典型為5 mA)。

　　2  服務(wù)器的搭建

　　采用家用電腦，在電腦上安裝Microsoft IIS 服務(wù)器，并制作成網(wǎng)站形式，用戶可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)屬于自己的頁(yè)面。其中，頁(yè)面上顯示出家電當(dāng)前的狀態(tài)，并可以通過(guò)按鈕來(lái)發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制家電的狀態(tài)，比如燈的亮和滅。網(wǎng)頁(yè)采用Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)軟件，用C#語(yǔ)言編寫(xiě)。上位機(jī)軟件和下位機(jī)主控制器采用串口進(jìn)行通信，而主節(jié)點(diǎn)控制器和從節(jié)點(diǎn)控制器通過(guò)ST7538在220 V電力線上進(jìn)行通信。

　　3  電力線接口電路設(shè)計(jì)

　　電力線接口電路的功能是將調(diào)制解調(diào)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(shí)現(xiàn)載波通信的關(guān)鍵，主要包括發(fā)送濾波電路、接收濾波電路和耦合保護(hù)電路。發(fā)送濾波電路對(duì)ATOP1、ATOP2輸出的載波信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除摻雜在信號(hào)中的諧波噪聲和偽信號(hào)，從而將處理后的信號(hào)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(gòu)成一個(gè)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(wú)用信號(hào)和噪聲，將有用的載波信號(hào)輸入給ST7538，采用并聯(lián)諧振電路，由R2、L2、C2、C1構(gòu)成二階無(wú)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(hù)電路用來(lái)隔離交流220 V強(qiáng)電信號(hào)，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(hào)對(duì)后級(jí)電路的損壞。ST7538的Vsense、CL腳用于引入對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行自動(dòng)增益控制的反饋信號(hào)。

　　從圖2中可以看出，ST7538的外圍器件相對(duì)較少。ST7538是采用FSK調(diào)制技術(shù)的高集成度電力載波芯片，內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，包括功率放大、電壓/電流自動(dòng)控制，因此大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路。ST7538還提供了看門狗、時(shí)鐘輸出、復(fù)位、5 V/3.3 V電源輸出等，可以方便地與單片機(jī)相連接。

　　在電力線接口電路中，信號(hào)濾波部分是整個(gè)模塊的關(guān)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(hào)經(jīng)變壓器耦合傳輸?shù)阶儔浩髯髠?cè)，從R1和C5的連接處導(dǎo)入輸入濾波電路。經(jīng)過(guò)C2與L2組成的并聯(lián)電流諧振電路濾波信號(hào)傳輸?shù)絊T7538的RAI端口。電容C1用于隔離可能過(guò)高的直流電壓，起保護(hù)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(lián)構(gòu)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(hào)通過(guò)而阻止其他頻率的無(wú)用信號(hào)。此電路是串聯(lián)電壓諧振電路，當(dāng)電路中的信號(hào)頻率正好與其固定諧振頻率相等時(shí)，在電容與電感中就會(huì)發(fā)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(shí)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(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。

圖3  輸入濾波電路　　圖4  輸出濾波電路

　　4  單片機(jī)和ST7538接口電路設(shè)計(jì)

　　ST7538和單片機(jī)的通信采用SPI接口。SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，如圖5所示。

圖5  ST7538與單片機(jī)的接口電路

　　ST7538可以使用三線接口(RxD,TxD,RxTx)與單片機(jī)進(jìn)行異步連接，數(shù)據(jù)交換不需要任何額外的時(shí)鐘以及附加的協(xié)議。在數(shù)據(jù)接收模式下單片機(jī)必須恢復(fù)參考時(shí)鐘，并在發(fā)送模式時(shí)控制發(fā)送1位的時(shí)間，當(dāng)未檢測(cè)到載波時(shí)RxD被強(qiáng)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(jī)進(jìn)行同步連接。ST7538總是通信的主端，并且利用CLR/T提供時(shí)鐘參考。

　　ST7538和單片機(jī)的接口實(shí)際上屬于SPI總線系統(tǒng)，可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。在此電路中，CLR/T相當(dāng)于SCK，RxD相當(dāng)于MISO，TxD相當(dāng)于MOSI，RxTx相當(dāng)于SS, UART/SPI腳接地。數(shù)據(jù)收發(fā)控制使用的是 P2口線，當(dāng) RxTx=0、REG/DATA=0時(shí)，載波芯片處于數(shù)據(jù)發(fā)送模式，TxD輸入向電力線發(fā)送的數(shù)據(jù)；當(dāng)RxTx=1、REG/DATA=0時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)模式，RxD輸出從電力線上接收到的數(shù)據(jù)；REG/DATA=1時(shí)讀寫(xiě)控制寄存器，設(shè)置芯片功能參數(shù)。CLR/T輸出數(shù)據(jù)收發(fā)的同步時(shí)鐘信號(hào)，與單片機(jī)的外部中斷INT0相連，單片機(jī)以中斷的方式完成對(duì)ST7538的讀寫(xiě)。P2.5輸入載波偵聽(tīng)信號(hào)，ST7538檢測(cè)到工作頻率的載波時(shí)，CD_PD=0；無(wú)載波時(shí),CD_PD=1。另外，要在1.5 s內(nèi)清零看門狗計(jì)數(shù)器，因?yàn)镾T7538的看門狗時(shí)間是1.5 s。

　　結(jié)語(yǔ)

　　ST7538為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，集成度很高，且采取了多種抗干擾技術(shù)。雖然它采用FSK調(diào)制技術(shù)，而沒(méi)有采用擴(kuò)頻技術(shù)，但是正因?yàn)槿绱?，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有較高的性價(jià)比，可以廣泛地應(yīng)用到智能家庭和智能樓宇系統(tǒng)中。