電力載波在輕工業生產線上的一種新型應用方法

陳昌虎，張 儒 ，洪 超

（景德鎮陶瓷學院 機電系，景德鎮 333001）

0 引言

電力線載波在電力系統中利用牢固可靠的高壓、低壓電力線作為信號的傳輸媒介，可節省大量的通道建設投資，因此，電力網在國外被傳媒喻為“未被挖掘的金山”。目前在利用電力線進行通信的產品中，主要使用窄帶通信方式和擴頻通信方式。窄帶通信方式價格低廉且較為容易實現。

本課題采用了一種基于TI公司C5000系列DSP中的TMS320C542的電力線載波通信系統用以解決智能生產線等綜合性系統工程中的局域網內部通訊問題，該系統以TMS320C542為控制核心，以PL2101電力線載波通訊芯片為基礎，輔以外圍接口電路進行設計。

基于TMS320C542的設計

本文以TMS320C542為例，構成一種快速輕工產品生產線數據采集處理系統。

C5000系列特點如下：

1）改進的哈佛結構，包含一條程序總線，三條數據總線和四條地址總線

2）高度并行的CPU和針對應用優化的硬件

3）針對算法和高級語言優化的指令集

4）先進的IC技術使其既高性能又低功耗

本文設計的系統結構以DSP為中心，帶有64K程序RAM，64K數據RAM，并通過16K×16的FIFO將數據送到DA，16K×16的FIFO將AD采集的數據送到DSP。與主機通過HPI接口進行數據交換。對SRAM、FIFO、AD、DA的控制，DSP所需各種狀態信息的獲取，以及與主機的其它一些聯系，都通過CPLDA和CPLDB來實現。系統通過實際測試，運行速度為40MPIS，程序和數據存儲器、所有I/O口都能全速運行，工作穩定可靠。由于系統工作于較高的頻率下（CPU為40MHz，外圍設備一般為20MHz，最高為40MHz），因而在系統設計中，必須注意高頻影響。

C5000系列DSP的編程工具，有C語言和匯編語言兩種，但C語言，使用起來比記憶指令集方便很多。實際應用中，采用C和匯編混合編程，混合編程的方法，經查閱C5000系列DSP的手冊得到。

通過將可能需要的各種控制和狀態信號引入CPLD，并利用CPLD的大容量和現場可編程性，可根據不同的要求進行現場修改，從而使系統設計的成功率更大，并且有很大的靈活性。其中CPLD采用EPM7128E。

1 基于PL2101的電力載波控制系統

PL2101 是專為電力線通訊網絡設計的半雙工異步調制解調器。它僅由單一的 +5V 電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2101除具備基本的通訊控制功能外，還內置了五種常用的功能電路：實時鐘電路，32 Bytes SRAM，電壓監測，看門狗定時器及復位電路，它們通過標準的 I2C 接口與外部的微處理器相聯，其中實時鐘與32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續保持工作。

PL2101 是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，并采用大規模數字/模擬混合 0.5μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內外同類產品性能價格比等方面有著出眾的表現。

電力線載波通信的數據信號通過載波通信設備，經過調制和功率放大后，由信號耦合網絡加載到電力網上，而在電力網的另一端，同樣通過信號耦合網絡將電力網上的調制信號送到相應的載波通信設備，經解調后復原。數據信號經過調制在輸電線路上，載波通道的衰減特性類似于架空明線，既頻率越高其衰減越大，因而傳輸頻段一般選在40-500kHz范圍內（即為中頻段），電力線與端口通過電力接口連接。

2 控制系統工作原理及電路設計

2.1 系統組成

主從式結構的DSP多機電力線載波通訊系統的結構中主機和所有從機都通過調制解調器PL2101和電力線相連。為簡化電路，降低成本，提高可靠性，本系統以目前廣泛應用的TMS320C542作為主控制器。除了主控制器TMS320C542之外，系統組成還有電力線載波芯片PL2101、220V電力線傳輸通道和并接在電力線上的機電設備（攝象頭、產品傳遞設備、產品制造設備等）在主控制器（主機TMS320C542）端，控制信號經電力線Modem調制為100KHz以上的高頻調制信號，通過電力線接口電路送入220V交流電力線。在接收機端，電力線上各種頻率信號通過隔離耦合電路進入接收機，由選頻放大電路僅選出發送機送來的高頻信號，濾掉其它頻率的信號。過濾后的高頻信號再由電力線MODEM解調出原始的數字信號，對電器的開關量進行定時控制。現代化工業高速信息設備大都采用DSP控制，只要將受控設備的CPU的RXD和TXD端與PL2101相連，并通過PL2101及高壓耦合電容等與兩根電源連接即可實現電力載波遠程控制。對于未采用CPU或所用CPU不具備通信功能的電氣設備，用一塊通用的TMS320C542與PL2101相連可實現上述遠程控制功能。

本文設計的工業用電氣設備遠程控制系統如圖1所示，系統經過改造可以應用于公共信號信息傳遞方面。硬件改制起來非常方便，當然還需要對軟件稍作改動，方可實現由一個主控DSP的PC機集中控制的工業用主從式控制系統。

圖1 DSP多機電力線載波通訊系統結構圖

2.2 頻段選擇

電力線載波的數據信號通過載波通信設備，經過調制和功率放大后，由信號耦合網絡加載到電力網上，而在電力網的另一端，同樣通過信號耦合網絡將電力網上的調制信號送到相應的載波通信設備，經解調后復原。數據信號經過調制在輸電線路上，載波通道的衰減特性類似于架空明線，既頻率越高其衰減越大，因而傳輸頻段一般選在40-500kHz范圍內（即為中頻段），電力線與端口通過電力接口連接。

2.3 集散式框架設計思路

現代工業信息處理大都采用DSP控制,改制起來非常方便，只要將控制的DSP系統的CPU的RXD及TXD端與PL2101相連,并通過LM1893及高壓耦合電容等與兩根電源連接即可。未采用CPU或所用CPU不具通信功能的設備，用一塊通用的DSP（如TMS320C542等）取代其控制功能也可實現。當然還需要對軟件稍作改動,方可實現由一個主控DSP或PC機集中控制的設備集散控制系統。

3 結論

本論文討論了對工廠輕工產品生產線上的控制信息、產品數據反饋信息、診斷信息進行傳輸的先進方法，即利用電力線載波通訊方式來傳輸輕工產品生產過程的各種所需信息。

由于電力線隨處可見，所以只要在該單位設置一臺電力載波控制器，然后利用電力線來傳送生產線的產品現場信息。本系統已在一家工廠生產線上試用，效果良好，現正準備投放市場。

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