電力線載波通信實驗平臺設計

范 迪, 陳之坤, 婁 猛, 呂常智, 張玉萍

(山東科技大學 電子通信與物理學院, 山東 青島 266590)

在電子信息工程、通信工程、電子科學與技術、自動化、電氣工程等電類的專業中,通信實驗是一個重要的實驗教學內容[1]，所涉及的內容主要有串行異步、紅外、以太網、CAN、232、485、Modbus、Profibus、ZigBee、WiFi、2.4G等。電力線載波通信(power line communication,PLC)是以電力線作為傳輸媒介,通過載波方式進行數據傳輸和信息交換的一種通信方式[2],在路燈控制系統、遠程自動抄表、園區節能管控等方面有著廣泛應用[3-5]。然而，作為一種不需要專用傳輸媒介的通信方式[6],在本科專業的實驗教學中尚缺少電力線載波通信實驗平臺。為此,課程組帶領學生設計了一個電力線載波通信實驗平臺[7]。該平臺不僅涉及電力線載波通信的原理,還融合了電子、電路、單片機、接口、C語言等方面的技術,對學生是個很大的鍛煉?；诖似脚_,課程組還設計了實驗項目,先后數屆學生在此平臺上進行了電力線載波通信實驗,了解了這種通信技術的特點,拓展了知識面,鍛煉了實踐能力[8-9]。

1 實驗平臺硬件設計

1.1 系統框圖和工作原理

實驗平臺包括接收端和發送端兩部分(見圖1)。發送端和接收端硬件電路基本相同,只是在軟件上,接收端具有開關輸入功能,發送端具有控制輸出功能。

圖1 實驗平臺整體結構

發送端CPU由輸入接口讀取開關輸入量,編碼后發送給載波通信模塊調制,之后由耦合電路傳送到電力線上。接收端通過耦合電路接收載波信號,載波通信模塊對之解調后傳送給單片機處理,最終顯示在LED顯示器。

1.2 主控模塊硬件設計

主控模塊是以單片機AT89S52為核心[10],外加復位、時鐘等組成,如圖2所示。單片機AT89S52主要負責協調整個通信系統的工作,包括采集端口信息,控制載波的收發、數據顯示和輸出控制信號等。

圖2 主控模塊電路

1.3 載波通信模塊及其外圍電路設計

載波通信模塊主要由主控電路、發送/接收電路組成。

在發送時,主控電路與CPU進行串口通信,接收其擬發送的數據后,對之進行調制后發送給載波發送模塊,經由耦合電路發送到電力線上。接收時,耦合電路從電力線上獲取載波信號,發送給載波接收電路進行濾波,主控模塊對之進行解調并通過串口把數據發送給實驗平臺CPU。

主控電路采用深圳瑞斯康公司的RISE3501芯片,其電路如圖3所示。RISE3501符合EIA-709.1和EIA-709.2標準規范,內核為FR8052,其內部集成了Packet Assembly、脈沖整型濾波器(pulse shaping filter)、BPSK調制、數字濾波器(digital filter)以及DAC (digital to analog converter)[11]。外圍電路主要有時鐘電路、復位電路和指示燈電路。載波頻率可被配置131.579 kHz、105.263 kHz、86.207 kHz、72.993 kHz,默認的載波頻率以及載波速率分別為131.579 kHz和5.48245 kbit/s。RISE3501電力線數據通信速率可達11 kbit/s[12]。

1.4 收發電路設計

載波發送電路如圖4所示,其主要功能是把RISE3501輸出的模擬信號進行功率放大和濾波后經由信號耦合電路耦合到電力線上。載波發送電路的工作電壓為15 V,RISE3501輸出信號電平約1.34 Vpp,發送電路空載下的輸出可達10 Vpp,實際輸出信號幅值會隨負載變化而變化[13]。

圖3 RISE3501及其外圍電路

圖4 載波發送電路

載波接收電路如圖5所示,它接收來自電力線的符合EIA-709.2協議的載波信號,對之進行濾波和自動增益控制后傳送至RISE3501。其中三階帶通無源濾波器可濾除載波頻段以外的信號。自動增益控制可根據信號的大小自動調節增益,當信號過大時,在CAGC控制下可對信號進行20 dB的信號衰減[14]。

圖5 載波接收電路

1.5 耦合電路設計

耦合電路(見圖6)要實現電力線與平臺電路部分的“一通一斷”作用,即暢通載波信號,阻斷工頻交流電[15]。

耦合電路的輸入端串接高壓電容通過高頻載波信號,利用1∶1的耦合線圈把載波信號感應到弱電側,起隔離高壓作用。其中瞬變二極管的作用是防止快速沖擊,保護后端電路。

圖6 耦合電路

2 實驗平臺軟件設計

平臺軟件分為發送端和接收端兩部分。接收端軟件如圖7所示,主要實現模塊初始化、開關量掃描、發送數據和顯示等。發送端軟件如圖8所示,主要實現模塊配置初始化、讀取數據、顯示、輸出控制信號等功能。

圖7 接收端主程序流程圖

圖8 發送端主程序流程圖

3 基于平臺的實驗內容設計

3.1 主要功能電路的仿真

對實驗平臺中的關鍵電路進行仿真實驗,使學生掌握電路原理及電路分析方法、熟練使用仿真工具。

耦合電路、載波收發電路是實驗平臺最主要的部分。該實驗過程是先讓學生學習電路原理和各器件、模塊的功能,再利用Multisim平臺進行仿真,通過分析仿真結果理解電路的原理[16]。圖9是主要電路的仿真結果。

圖9 主要電路仿真結果(輸入50 Hz交流信號)

3.2 部分模塊調試

利用示波器及軟件調試工具,對載波收發模塊涉及的軟硬件電路進行調試或測試,使學生理解調試方法和過程,有針對性地強化掌握核心模塊的工作原理。圖10是實測收發信號波形,左圖是發送波形,右圖是接收波形。

圖10 實測收發信號波形

此外,還通過串口調試助手,讓學生在線完成對載波模塊的配置,借此使學生掌握載波芯片的硬件接口及使用方法。

3.3 實地整機實驗

在實驗樓及周邊選擇了6個實驗點,借助電力線進行雙向通信,實驗點間的通信測試情況如圖11所示。實驗點⑤設在學院樓的外部,①—⑤、④—⑤間通信測試時通信介質采用的長230 m的電纜。測試時,發送端發送數據上千次,接收端接收數據的成功率在99%以上。通過實地實驗,學生對電力線載波通信的原理、優勢和接線問題有了深刻的認識。

圖11 實驗點間的通信情況

4 結語

電力線載波通信是一種比較獨特的通信方式?；陔娏€載波通信實驗平臺和3個層次的實驗內容,形成了從部分到整體、從虛擬到真實、從原理到實物的環環相扣、步步遞進的實驗過程,使學生在實驗過程中熟練掌握軟件編程、電路仿真、電路設計和制作等方面的知識和技能。