利用數(shù)字信號控制器實現(xiàn)穩(wěn)健的PLC通信

電力線通信(PLC)可以利用現(xiàn)有基礎設施提供低成本的網(wǎng)絡。數(shù)字信號控制器為PLC網(wǎng)絡提供維持穩(wěn)健信號所需的高級處理性能，其運行開銷和片上外設可進一步降低系統(tǒng)成本。下文將對此作進行詳細介紹。

在環(huán)境非常惡劣的工廠或室外經(jīng)常能見到照明、測量和其他控制應用，但在這些地方的網(wǎng)絡通信若不采取常規(guī)方法則變得異常困難。因為惡劣的環(huán)境不僅對信號有相當大的干擾，而且在許多情況下，如果還沒有專用通信布線的話，安裝費用也非常昂貴。因此，建立控制網(wǎng)絡通信的最佳介質(zhì)將是無處不在的電力線。

PLC是各種網(wǎng)絡工業(yè)、公共事業(yè)和商業(yè)應用中的監(jiān)控網(wǎng)絡的理想解決方案。然而為了達到較高的效率，PLC必須具備成本效益和穩(wěn)健性。而要實現(xiàn)這些性能，系統(tǒng)開發(fā)人員可以借助于數(shù)字信號控制器所提供的強大性能和集成度。

與使用專用傳輸線的傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同，PLC網(wǎng)絡可以通過現(xiàn)有的低壓、中壓和高壓電力線在數(shù)公里范圍內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)?；诟咝阅軘?shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)的數(shù)字信號控制器可在惡劣環(huán)境中的全規(guī)模網(wǎng)絡上實現(xiàn)可靠的PLC吞吐量，使其能夠監(jiān)控所有的網(wǎng)絡節(jié)點。

高度集成的控制器還能降低系統(tǒng)成本和易于適應不斷變化的網(wǎng)絡需求。在工廠、公共事業(yè)分布系統(tǒng)、辦公建筑群、礦山、海底電纜和其他惡劣環(huán)境中，數(shù)字信號控制器都可以在實時監(jiān)控所需速率下支持高效的PLC傳輸。

單芯片modem和應用軟件

在許多監(jiān)控應用中，成本是首要考慮因素，因此這時系統(tǒng)的集成度越高越好。PLC系統(tǒng)功能可以被分成三部分：模擬前端(AFE)、調(diào)制解調(diào)器(modem)以及測量或控制應用軟件。AFE主要用于接收和驅(qū)動信號，并將信號從電力信號中分離出來；modem則使用特定的頻率和鍵控技術(shù)對通信信號進行調(diào)制和解調(diào)。雖然很多設計方案中的modem和應用軟件采用不同的控制器，但數(shù)字信號控制器帶給PLC設計的一個重要好處是其可以在單個器件中集成modem和應用軟件。

位于數(shù)字信號控制器核心的DSP可提供比價格相當?shù)腞ISC MCU強得多的運算性能，這些性能足以用來執(zhí)行modem和應用軟件。另外，片上外設是針對控制需求特別選取的，其提供的是一種系統(tǒng)解決方案。數(shù)字信號控制器的性能和集成度可以減少元件使用數(shù)量和電路板空間，這對諸如可調(diào)光照明鎮(zhèn)流器、電子表和電機驅(qū)動器等成本敏感的應用非常有利。另外，DSP的可編程性使得系統(tǒng)能更好地適應環(huán)境干擾，從而提高傳輸?shù)目煽啃?，而DSP的額外MIPS性能還可以用來增加功率因數(shù)補償?shù)裙δ?，從而使終端產(chǎn)品具有更高的能效。

穩(wěn)健的通信

由于典型的PLC使用環(huán)境比較惡劣，因此傳輸必須高度穩(wěn)健。在多種能傳送位的物理層調(diào)制方案中，有兩種特別適合工業(yè)監(jiān)視和控制的方案，即頻移鍵控(FSK)和二元相移鍵控(BPSK)。由于該兩種方案都不依賴電力信號作為載波，因此可以用在任何頻率、任何電壓值的AC和DC電力線上。而當節(jié)點的供電中斷時，只要控制通信電路的獨立供電不間斷，F(xiàn)SK和BPSK還能照常工作。

FSK采用兩個不同的頻率發(fā)送信號，電平“1”時用74kHz，電平“0”時用63.3kHz；而BPSK則采用相同頻率發(fā)送“1”和“0”，其相位差為180度。監(jiān)控通信常用標準是CEA179，其指定BPSK發(fā)送頻率為131.5kHz，波特率是5.5kbps或每個碼元24個周期。雖然CEA-179沒有對FSK加以規(guī)范，但它完全兼容該標準的協(xié)議棧，因此也可以使用CEA-179進行傳輸。在滿足系統(tǒng)限制的前提下，數(shù)字信號控制器可以通過改變傳輸頻率來避開干擾，從而提高通信性能。

圖1是專為可靠性進行設計的CEA-179數(shù)據(jù)包格式。該數(shù)據(jù)包和位的邊界是用于位同步的24位向量，后面是指示數(shù)據(jù)起始位的11位字同步信號。發(fā)送器將每8位指令編碼成一個11位的字，在接收器側(cè)再將其解碼并移位至存儲器緩存。在PLC中，指令數(shù)據(jù)還增加了16位的循環(huán)冗余校驗碼(CRC)，EOP則使用重復的11位字進行識別。因此，CEA-179協(xié)議與BPSK和FSK的結(jié)合可確保穩(wěn)健的PLC傳輸，并能為多節(jié)點的實時控制提供足夠的帶寬。

 

圖1：CEA-179數(shù)據(jù)包格式。

PLC設計

下面給出了使用數(shù)字信號控制器直接實現(xiàn)PLC的設計實例。圖2是用于諸如可調(diào)光鎮(zhèn)流器等應用的AC環(huán)境下的PLC通信與控制系統(tǒng)框圖。AFE接收器-發(fā)送器位于圖的左邊，modem和應用軟件算法運行在中間的控制器上，右邊則包含了應用電路。例如在一個電流解決方案中，一個測量芯片與C2000相連。測量芯片執(zhí)行測量功能，C2000使用PLC發(fā)送測量數(shù)據(jù)。雖然本文重點放在FSK調(diào)制方面，但相同設計經(jīng)過AFE和控制算法方面的少許修改也可以用于BPSK。



圖2：PLC系統(tǒng)框圖。

上述設計中使用的數(shù)字信號控制器是一個帶DSP內(nèi)核的器件，該內(nèi)核工作在100MHz時可提供100MIPS的性能。在一個普通應用中，約45MIPS用于modem，余下約55MIPS可用來運行應用軟件。在34KB片上閃存和一次性可編程存儲器中，12KB用于modem代碼；12KB的數(shù)據(jù)存儲器中的5KB用于modem；其余的存儲器空間則全部用于應用軟件?？刂破鬟€提供6個帶獨立定時器的脈寬調(diào)制(PWM)輸出，可用于modem和應用軟件的信令傳輸。12位ADC使用單通道對所接收的信號進行采樣，剩余的15個通道則處于空閑狀態(tài)。數(shù)字信號控制器還提供了SPI和SCI接口用于本地通信，另外還有30多個通用I/O通道。