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[導(dǎo)讀]介紹一種最新推出的電力載波調(diào)制解調(diào)器芯片ST7538的基本原理,給出ST7538的主要控制電路和接口電路,討論應(yīng)用該芯片后些注意事項(xiàng)。

   摘要:介紹一種最新推出的電力載波調(diào)制解調(diào)器芯片ST7538的基本原理,給出ST7538的主要控制電路和接口電路,討論應(yīng)用該芯片后些注意事項(xiàng)。

    關(guān)鍵詞:電力載波通信 ST7538 家庭網(wǎng)絡(luò) 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

利用電力線作為通信介質(zhì)的電力載波通信,具有極大的方便性、免維護(hù)性、即插即用等優(yōu)點(diǎn),在很多情況下是人們首選的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的又一款半雙工、同步/異步FSK(調(diào)頻)調(diào)制解調(diào)器芯片。該芯片是為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計的,與ST7536和ST7537相比,主要具有以下特點(diǎn):

*有8個工作頻段,即:60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz;

*內(nèi)部集成電力線驅(qū)動接口,并且提供電壓控制和電流控制;

*內(nèi)部集成+5V線性電源,可對外提供100mA電流;

*可編程通信速率高達(dá)4800bps;

*提供過零檢測功能;

*具有看門狗功能;

*集成了一個片內(nèi)運(yùn)算放大器;

*內(nèi)部含有一個具有可校驗(yàn)和的、24位可編程控制寄存器;

*采用TQFP44封裝。

可以看出,ST7538是一款功能強(qiáng)大的、單芯片電力線調(diào)制解調(diào)器。

圖1

1 ST7538工作原理

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,通過串行通信,可以方便地與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動控制和電流自動控制,只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運(yùn)算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5V電源和+5V電源狀態(tài)輸出等,大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量。此外,該芯片符合歐洲CENELEC(EN50065-1)和美國FCC標(biāo)準(zhǔn)。圖1為ST7538內(nèi)部原理框圖。

1.1 發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)RxTx為低時,ST7538處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538,時鐘上升沿時被采樣,并送入FSK調(diào)制器調(diào)制。調(diào)制頻率由控制寄存器bit0~bit2決定,速率由控制寄存器bit3~bit4決定。調(diào)制信號經(jīng)D/A變化、濾波和自動電平控制電路(ALC),再通過差分放大器輸同到電力線。當(dāng)打開時間溢出功能,且發(fā)送數(shù)據(jù)時間超過1s或3s時,TOUT變?yōu)楦唠娖?,同時發(fā)送狀態(tài)自動轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。這樣可以避免信道長時間被某一節(jié)點(diǎn)(ST7538)點(diǎn)用。

1.2 接收數(shù)據(jù)

當(dāng)RxTx為高時,ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。信號由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538,經(jīng)過一個帶寬±10kHz的帶通濾波器,送入一個帶有自動增益AGC的放大器。該濾波器可以通過控制寄存器bit23置零取消濾波功能。自動增益放大器可以根據(jù)電力線的信號強(qiáng)度自動調(diào)整。為提高信噪比,經(jīng)過放大器的信號送入一個以通信頻率為中心點(diǎn)、帶寬為±6kHz的窄帶濾波器。此信號再經(jīng)過解調(diào)、濾波和鎖相,變成串行數(shù)字信號,輸出給出ST7538相連的微處理器。

    可以通過使控制器的bit22置位,使ST7538處于高靈敏度接收狀態(tài)。

1.3 工作模式選擇

通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T,可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式,由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。

微處理器對電力線的訪問可以采用同步方式或異步方式。異步方式只需要RxD、TxD和RxTx,無需輔助時鐘信號。無載波信號時,RxD輸出低電平,對于同步方式,需要CLR/T作為參考時鐘,并且ST7538必須是通信發(fā)起者(Master)。

對ST7538控制寄存器的訪問必須采用同步訪問方式,需要RxD、TxD、CLR/T和REG_DATA,CLR/T上升沿有效,發(fā)送數(shù)據(jù)高位在前。

1.4 復(fù)位及看門狗

ST7538內(nèi)部嵌入一個看門狗,可以產(chǎn)生一個內(nèi)部和外部的復(fù)位信號,保證CPU的可靠工作。

2 系統(tǒng)硬件組成

電力載波通信節(jié)點(diǎn)模塊一般包括以下幾部分微處理器部分、載波部分信號濾波部分和電力線信號耦合與保護(hù)部分。圖2給出了利用ST7538和Atmega8L構(gòu)成的通用電力載波通信模塊。這里僅就濾波部分作簡要介紹。

信號濾波部分是整個模塊的關(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。圖3為輸入濾波電路,它采用并聯(lián)電流諧振電路構(gòu)成濾波電路,濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。該諧振點(diǎn)頻率f1為

圖4為輸出濾波電路,它采用串聯(lián)電壓諧振電路,避免無用信號耦合到電力線上。該諧振點(diǎn)頻率f2為:

電力線耦合部分采用1:1寬帶通信變壓器,同時二次側(cè)采用瞬間電壓抑制器P6KE6V8A,保護(hù)后級電路。

3 應(yīng)用注意事項(xiàng)

ST7538比早期推出的ST7536、ST7537功能強(qiáng)大得多,引腳也從28腳增至44腳,使用起來仍然很方便,但還需要特別強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):①注意保證上電復(fù)位時間和順序。ST7538復(fù)位時間為50ms,微處理器上電復(fù)位時必須有足夠長的硬件延時和/或軟件延時,保證ST7538可靠復(fù)位。ST7538可靠復(fù)位后,方可對其進(jìn)行初始化操作。

②ST7538有8個通信頻段,但是同一時刻只能采用一種通信頻率。要改變通信頻率,則需要調(diào)整硬件參數(shù)。

③ST7538內(nèi)部提供的僅是純透明的物理層通信協(xié)議,當(dāng)噪聲信號混入通信頻率時,ST7538無法區(qū)分,它將與有用信號一起被解調(diào)。因此,ST7538要求用戶必須自己制制MAC層通信協(xié)議,以保證通信的可靠性。

④用ST7538組成系統(tǒng)時,多個節(jié)點(diǎn)通信可以采用總線介質(zhì)訪問競爭性協(xié)議,例如CSMA(載波監(jiān)聽多路訪問)。但是,電力載波通信畢竟通信速率低、效率不高。因此,可以考慮利用ST7538的這零檢測功能。利用過零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)而可以在一個比較大的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非總線介質(zhì)競爭的“類TDMA”(時分多址)協(xié)議,該協(xié)議經(jīng)常用于GSM等數(shù)字無線通信系統(tǒng)。

結(jié)語

ST7538是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片,它為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計,因此采取了多種抗干擾技術(shù)。雖然它采用FSK調(diào)制技術(shù),而沒有采用擴(kuò)頻技術(shù),沒有擴(kuò)展通信的優(yōu)點(diǎn),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,將可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。

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