TI公司窄帶電力線通信解決方案

TI公司 董 超

PLC簡介

PLC的分類及其頻帶

PLC技術總體上可以劃分為寬帶PLC和窄帶PLC兩大類。前者適用于Internet互聯網這類高速廣域網連接，采用OFDM調制方式，目前HomePlug聯盟制定的標準成為國際主流；后者適用于側重低成本、高可靠性且只需要窄帶控制或者低帶寬數據采集的場合。目前，適用于NB PLC的PRIME、G3標準已經進入實際部署階段；而IEEE P1901.2以及ITU-T G.hnem兩大國際標準即將制定完成。

NB PLC的頻帶由各個國家的頻帶管理機構來指定和劃分。在中國，EPRI更傾向于使用 3 kHz～90 kHz頻段；而對3 kHz～500 kHz這段單一的頻率段如何使用并沒有規定。

PLC的應用及其優勢

PLC能夠在電力線上傳輸數據，這樣就為許多應用領域提供了一種具有成本效益的通信方式。由于不需要在互聯的設備直接安裝額外的線纜，PLC顯著地降低了系統成本，提高了系統可靠性，同時能夠實現有效的通信。

PLC技術能夠利用已有的電力線基礎設施，這使得它在智能電網(Smart Grid)領域占據著優勢的技術地位。在智能電表領域，NB PLC提供了一種穩健的能夠替代無線通信的方式，能夠滿足帶寬、功耗和成本的要求。NB PLC已經有不同的標準，其數據率也從1.2 Kb/s到最高128 Kb/s不等，能夠滿足數據采集、照明控制、家庭自動化等應用的帶寬要求。這樣，NB PLC將是一種非常有吸引力的、能夠作為智能電網通信基礎設施的技術。

同樣地，PLC技術使得在照明控制、家居和建筑物的供熱和空調系統自動化、安全等系統中實現更加智能化的管理成為可能。只要系統連接到供電網絡，它的效率和運行狀況就能夠被智能地管理和改進。圖1給出了PLC解決方案能夠適用的應用領域，包括智能電網、街燈照明、智能電表、太陽能、風能、家居自動化等。

PLC面臨的挑戰

開發一種有效的PLC會面臨許多挑戰，例如，電力線固有的噪聲；需要健壯的架構來確保數據可靠性；每種應用和運行環境都是不同的，需要開發者優化設計來適應各種因素。

PLC實現的功能過于固定化將會限制其應用領域；而且，由于PLC的標準還沒完全確定仍然在不斷演進中，這也是一種冒險性的設計策略。開發者需要靈活性的平臺，這將能夠針對每種應用的特定需求來優化設計，同時也能夠適應新的標準和新興的市場機會。這樣，PLC的知識產權可以在多種應用中得以重用，進而在應對不斷擴展的市場機會時能夠加速開發進程、縮短產品上市時間。

硬件和軟件的模塊化設計是實現開發平臺靈活性的關鍵。通過把復雜的PLC系統分解成一些獨立的子系統，可以允許開發者在不必完全重新設計整個系統的情況下改變設計的某一方面，例如調制方式或者通信協議。

(1)調制方式：硬件層的靈活性使得開發者可以針對某種特定的應用實現最有效的調制方式。例如，窄帶通信可以使用擴展頻移鍵控(S-FSK)和正交頻分復用(OFDM)。

(2)通信協議：為了實現互操作性，設備必須遵循特定的協議標準。在靈活的平臺之上，開發者可以方便地實現所有流行的PLC標準，例如SFSK(IEC61334)、PRIME和G3；同時，能夠使得設備隨著標準的演講而保持更新。此外，由于不需要完全地重新設計硬件和固件，把設計移植到新應用或協議的過程也將變得簡單。

(3)遵循本地規章：各個國家對“綠色電子產品”的大力支持催生了通信規章（CENELEC、，FCC、ARIB 等），這將給智能電網（Smart Grid）和其他以PLC為基礎的應用帶來深遠的影響。開發者需要工具來確保設備滿足規章要求，同時幫助他們盡快地通過測試，以獲得批準使產品盡快上市。

TI NB PLC解決方案的設計

TI的NB PLC解決方案使得開發人員不必關心其設計的復雜性，降低了PLC在很多工業應用領域的使用門檻。TI NB PLC解決方案的高效和靈活使得客戶能夠快速地針對特定的應用需求進行差異化和定制化設計。基于獨特的模塊化硬件架構和靈活的軟件框架，TI的PLC解決方案是目前業界唯一的在單一平臺上能夠支持多種標準和調制方式的技術。

PLC軟件的模塊化

TI的PLC軟件（plcSUITETM）提供了功能強大的框架使得開發者能夠快速開發PLC，實現并且測試其健壯性。軟件平臺的靈活性允許開發者把調制實現、協議設計、應用開發分隔開來。開發者可以利用圖形接口(GUI)方便地對PLC關鍵的性能參數可視化和調整。TI的NB PLC解決方案在同一個硬件平臺可以支持多種調制方式和協議標準。

PLC硬件的模塊化

TI靈活的NB PLC硬件平臺使得開發變得更加簡單。如圖2所示，PLC硬件開發工具由模擬前端（AFE）、MCU卡、基座（Docking Station）組成。開發平臺的模塊化設計允許開發者很輕易地通過調整系統的硬件來滿足不同的PLC通信指標。例如，TI除了支持PRIME和G3標準外，通過FlexOFDMTM庫還支持私有的、完全可編程的、基于OFDM的系統；開發者能夠針對特定的運行環境來優化性能和穩定性，進一步地提高效率。如果有需要，還可以通過配置工作頻帶和數據發送的頻點來快速地定制OFDM實現。這些改進可以獨立于協議和應用層軟件。一旦設計、驗證完成，開發者可以通過把各個模塊集成到單個硬件板（SOM）來降低硬件成本。

如圖3所示，TI NB PLC系統的核心是包括耦合電路在內的模擬前端和用于數字調制與網絡實現的處理器。處理器主要實現調制解調等信號處理、媒體接入控制（MAC）、網絡層處理（路由、IPV6等）、應用層實現。處理器的內存及運算能力決定了所能夠處理的信號帶寬以及所能夠達到的數據速率。

為了降低成本同時提高性能，TI了增加了TMS320C2000 MCU指令集。新增加的指令集由緊耦合的協處理器VCU(Viterbi，Complex Math，CRC Unit)單元來實現。 VCU 通過增加針對復數運算、維特比譯碼、CRC計算的匯編指令來增強C2000 MCU的處理能力。新增的VCU指令集能夠加速物理層OFDM信號的處理和MAC層數據包CRC的計算。

高性能、集成的模擬前端（AFE031），主要用來濾波、調理、放大信號，同時耦合調制信號到傳輸線。高性能的AFE需要具備下列特點：通過大電流來驅動低阻抗電力線；能夠通過高壓電容和變壓器來耦合信號到電力線；能夠檢測小到20 μVrms的信號、具有寬范圍的增益選項來適應可變的輸入信號。因此，設計NB PLC的模擬前端(AFE)非常具有挑戰性。使用AFE031能夠幫助設計者簡化高性能模擬前端的設計工作，設計者只需專注于電路設計(例如電力線耦合接口、電路保護等)和PCB的溫度設計。

AFE031是集成的、適用于電力線通信的高性能模擬前端芯片，由許多功能塊組成，能夠被MCU無縫地連接和驅動。AFE031的發送通路（Transmitter）從MCU通過SPI接收數字信號，由內部DAC轉換成模擬信號，經過濾波和功率放大，通過耦合變壓器驅動AC電力線。AFE031的接收通路（Receiver）從AC電力線接收模擬信號，濾除噪聲，通過可編程增益放大器（PGA）放大，經過ADC轉換成數字信號輸入到MCU處理。

利用已有的電力線設施作為傳輸數據的鏈路，PLC在許多應用領域都是最有成本效益的通信方式，能夠改變人們的監控方式。開發者利用TI靈活而成熟的窄帶PLC解決方案將能夠加快其具有PLC特性的產品上市時間。