基于PL3106的室內調光控制系統

楊　波,秦會斌,毛祥根,楊備備

(杭州電子科技大學電子信息學院,杭州 310018)

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基于PL3106的室內調光控制系統

楊波,秦會斌*,毛祥根,楊備備

(杭州電子科技大學電子信息學院,杭州 310018)

摘要:針對室內布線不方便以及噪聲干擾小的特點,設計了一種基于低壓電力線載波通信芯片PL3106的室內調光控制系統。該系統以電力線為信息傳輸媒介,設計簡單,節約成本。其關鍵要解決的電網噪聲對通信的影響,從而延長通信距離。以PL3106為核心搭建了電力線載波通信的硬件電路,采用通信協議實現一對多通信,從而由總控制器控制多個照明節點。測試結果表明,該系統在400 m內通信穩定,能準確實現照明調光,取得了良好效果。

關鍵詞:電力線載波通信;調光;PL3106;擴頻調制

電力載波通信以電力線路為傳輸通道,具有通道可靠性高,投資少,見效快的特點。然而,低壓電力線不是專用的通信線路,因其有很多不利于數據傳輸的弊端,如干擾源[1]眾多、阻抗特性時變性大等。隨著先進的抗干擾算法[2]、調制解調技術[3]的應用,電力線載波通信在某些特殊應用領域已經嶄露頭角。PL3106是專為面向未來的開放式自動抄表,智能信息家電以及遠程監控系統而設計的單芯片片上系統它除了具有功能強大的處理器外,尤其在電力線載波通訊方面具有更大的優勢,它的擴頻通信單元具有更強的抗干擾能力。與傳統的室內照明控制相比,基于電力線載波通信的智能調光控制系統具有更大的靈活性,比如所有照明燈可以通過一臺總控制器集中控制,可根據需要調節燈的亮度,節省能源。此外還可以很方便地添加各種功能,如定時、查詢等,以適應照明需求。

1　系統總體框架

系統以電力線為通信信道,由總控制器和終端控制器組成通信系統,PC機與總控制器通過串口進行通信。總控制器可隨意放置在任何方便控制的房間內,每個終端控制一組燈具,根據需要一個房間內可放置一個或多個終端控制器。調光控制系統的總體框架如圖1所示。

2　系統硬件電路設計

2.1系統工作原理

系統工作原理圖如圖2所示,PC機通過串口下發命令,通過MAX232轉換為TTL電平發送給PL3106,PL3106對數據進行直接序列擴頻,擴頻后的信號經120kHz的載波頻率調制后輸出,依次通過功率放大電路、濾波電路、耦合電路發送到低壓電力線上。終端控制器通過接收電路接收到總控制器發送來的命令,經內嵌8051微處理器處理,輸出相應占空比的PWM波,從而控制調光控制器的輸出電流,達到調光的目的。

圖1　系統總體框架圖

圖2　系統工作原理圖

2.2發送、接收電路以及耦合電路

發送、接收電路以及耦合電路如圖3所示。電力線載波通信所需的直序擴頻調制電路已在PL3106芯片內部集成化,因此設計者不需要關心載波的調制與解調,只要設計相應的發送與接收電路即可。

圖3　發送、接收電路以及耦合電路原理圖

發送電路部分主要包括功率放大電路和濾波電路。載波功能被使能后,載波信號由P1.7引腳輸出,波形為0～5 V變化,頻率為120 kHz的方波,包含豐富的諧波。由Q1～Q4組成的互補推挽功率放大電路負責將PL3106芯片產生的載波調制信號進行功率放大,其中D3和D4起鉗位作用,吸收電源尖峰干擾。發射電壓VHH影響發射功率的大小,隨著發射電壓的下降發射功率也下降,發射電壓越高三極管的自身功耗越大,一般選擇發射電壓為16 V。為減少對電網的諧波污染,經放大后的信號需要經過電感L1和電容C3組成的帶通濾波器,以濾除諧波分量。D1和D2起保護電路的作用。

接收電路中,R3在接收本地強發射信號時可以有效吸收衰減。電容C4,C5和電感L2組成并聯諧振電路,其中心頻率為120 kHz,對接收到的信號有選頻作用。二極管D6、D7的作用是將接收信號的電位鉗制在±0.7 V。接收信號經過電容C6后引入芯片內部進行混頻處理,SIGIN被內部上拉后平移到(2.5±0.7)V,以利于后續處理。

耦合電路中,瞬態抑制二極管D7起保護作用,T1為耦合線圈,匝數比設置為19∶32,電容C7和電感L3對信號進行二次濾波,以進一步減少諧波分量。

2.3陶瓷濾波器電路

陶瓷濾波器電路如圖4所示。

圖4　陶瓷濾波器電路

并聯諧振后接收的載波信號經SIGIN腳進入芯片。由于陶瓷濾波器通頻帶只能在中頻附近,所以芯片內部將接收到的120 kHz信號與內部的600 kHz本振信號進行混頻,得到480 kHz中頻帶寬的差頻信號。

混頻信號由FLTI腳輸入到陶瓷濾波器的輸入腳,陶瓷濾波器濾波后再送回芯片的FLTO腳進行內部限幅放大。然后由芯片內的硬件解擴電路進行有效數據的還原;數據解擴完成后將數據位鎖存到P3.7腳,同時產生同步信號HEAD。

2.4調光控制器電路

調光控制器部分采用PT4115芯片,PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源,用于驅動一顆或多顆串聯LED。其驅動電流由輸入PWM占空比決定,3腳為PWM輸入引腳,接PL3106的PWM功能引腳。其典型應用電路如圖5所示。

PT4115的調光原理:當DIM引腳電壓低于0.3 V時關斷LED電流,高于2.5 V時開啟LED電流。通過PWM波控制電流導通與關斷的時間比,從而控制電流大小,電流的計算方法如下:

其中D為占空比。

圖5　調光控制器電路原理圖

3　系統軟件設計

3.1通信配置

載波通信控制器采用幀同步方式的串行移位通信,半雙工方式,速率500 bit/s/250 bit/s可選;中心頻率為120 kHz,帶寬為±7.5 kHz。內嵌的CPU使用外部中斷2(INT2)為同步收發中斷,載波通信配置流程(圖6)如下:

(1)使能INT2中斷(EX2=1),且為下降沿觸發方式(IT2=0);

(2)使能載波通信控制位PLM_SSC=1,INT2作為載波通信同步信號的中斷;

(3)載波收發控制位PLM_RS=1時,載波控制器處于發送狀態,PLM_RS=0時,載波控制器處于接收狀態;

(4)載波發送復位寄存器:用于避免載波通信模塊長時間處于發送狀態,使整個通信系統處于失控狀態而設置;是一個13 bit計數器,發送狀態時,計數器遞減,遞減到0后,載波發送模式被強制返回接收態;接收態時計數器停止工作。長時間發送數據時,需要向PLM_RST寄存器寫入“A2H”,寫入后計數器自動復位、保持發送。

3.2發送和接收軟件設計

圖7為載波發送過程框圖。用于載波通信的主叫方發出命令、或接收方的應答。置為載波發送態時,載波通信控制單元發送完1 bit的擴頻數據后,自動產生一次中斷,允許下1 bit數據發送。根據捕獲和同步過程需要,首先發送至少40 bit的全“1”;然后按比特發送同步幀頭0X09、0XAF;之后根據用戶的有關通信協議按比特發送通信地址、數據長度、數據體、校驗等字節。數據全部發送完成后,載波模塊即可轉入接收態。但為確保待發送數據的最后一個比特發送成功,必須在發送完最后1 bit數據后等到下一次發送中斷到來后,才可以轉換載波發送態到接收態。

圖7　發送過程框圖

圖8　接收過程框圖

圖8為載波接受過程框圖。載波通信控制單元解擴出1 bit數據后,產生一次中斷。接收時首先采用16 bit接收窗口、1 bit滑動方式來接收通信的同步幀頭0X09、0XAF,同步頭接收成功后,后續數據按每8 bit/byte的方式進行截取,得到傳送的有效數據,按有關的通信協議進行地址判別、長度接收、校驗計算。地址相同的模塊對符合通信協議的數據進行應答,轉入發送態。

3.3通信協議幀

根據PL3106載波通信時序以及實際需求,設計如下通信協議幀:

同步字符同步幀頭數據接收端地址數據發送方地址命令字校驗碼幀尾

協議幀說明:

(1)根據捕獲和同步過程需要,首先發送至少40 bit的全“1”,所以設計同步字符為連續6個0xff,占6 byte;然后按比特發送2 byte同步幀頭0x09,0xAF。

(2)數據接收方地址為1 byte,最大值為0xff。總控制器的地址為0x00,終端控制器的地址為0x01到0xfe,當接收方地址為0xff時表示總控制器對所有終端控制器同時進行控制;數據發送方地址也是1 byte,最大值為0xfe。

(3)命令字是指控制或應答命令,占1 byte。本設計中命令字0至0x64是調光命令,0為關燈,0x64為開燈,其他的控制不同亮度。0xa0表示數據接收正確的應答命令。

(4)校驗方式為CRC16校驗,占2 byte,在命令字之后發送。

(5)幀尾占1 byte,以0xff表示一幀發送完畢。

3.4上位機設計

圖9　上位機調光界面

上位機調光界面如圖9所示,調光界面各功能模塊說明如下:

(1)設置參數欄設置串口通信的參數。PL3106與上位機之間通過串口通信,所以首先要配置串口通信參數;

(2)調光欄選擇房間號即終端控制器地址以及設置指定調光值,當選擇所有房間時,可對所有燈具同時進行控制;

(3)定時開關欄可以設置定時開關燈的時間,也可取消定時;

(4)按下確定按鈕后才可使調光和定時開關設置生效。

4　測試結果及分析

本系統的測試在同一層實驗樓內進行,測試時分別選擇不同的距離進行300次試驗。測試參數如下:載波頻率為120 kHz;數據傳輸速率為500 bit/s;發送電壓VHH=16 V;主控制器1個,終端控制器數目為10個。測試結果如下:

表1　室內調光控制系統測試結果

結果表明近距離測試時,均能準確控制燈具的開關及調光,隨著距離的增加會出現小的通信誤差,造成這種誤差一方面是因為距離增大信號衰減致,另一方面是由于距離越大噪聲干擾越大,導致接收方分辨不出有效信號。

可通過以下方式增加通信距離:(1)使用參數誤差更小的元器件,尤其是濾波元件;(2)增大放放電壓VHH,增加發送功率,但同時會增加三極管自身功耗;(3)采用中繼傳輸技術可延長通信距離;(4)改進校驗方式降低誤碼率。

5　結束語

基于PL3106芯片的室內調光控制系統在原有照明線路的基礎上,只需對照明開關設備做簡單改造升級,利用電力線載波通信便可實現室內照明調光控制。PL3106內嵌8051內核,電路設計簡單,軟件編程方便,其串口通信模塊與PC進行通信可構建范圍更廣的控制系統。

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楊波(1988-)男,湖南湘西人,研究方向為新型電子器件與應用,yb88929@163.com;

秦會斌(1961-),男,教授,主要從事新型電子器件及ASIC設計、現代傳感器設計及應用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

AControlSystemofIndoorDimmerBasedonPL3106

YANGBo,QINHuibin*,MAOXianggen,YANGBeibei

(College of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:A indoor dimming control system based on PL3106 which is a low-voltage power line carrier communi-cation chip is designed for the character of inconvenience of indoor wiring and small noise.The system uses power line as transmission media,it can be easily designed and reduce the cost.The key of this design is to solve the effect of grid noise on communication,thus extending the communication distance.Taking PL3106 as the core hardware circuit of power line carrier communication,it can realize point to multipoint communication using the communication protocol,so that a plurality of lighting node can be controlled by the master controller.The test results show that,the system communication is stable in the 400 meters,it can accurately achieve dimming,and achieved good results.

Key words:power line carriercommunication;dimming;PL3106;spread spectrum modulation

通信地址載波通信為總線方式通信所以載波模塊的常態必須設置為接收態、不同的載波模塊必須分配不同的。模塊接收到校驗正確的命令后,只有地址相同的模塊才允許按規約進行應答。

doi:EEACC:8500;853010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.022

中圖分類號:TM923

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0679-05

收稿日期:2013-08-29修改日期:2013-09-12