基于PL3106的路燈通訊系統設計

楊金晨

（西安石油大學，西安 710065）

0 引言

由于我國城鎮化率的不斷提高，城市現代化水平日新月異，作為維護社會秩序的重要設施城市照明系統，它和人民群眾的生活現在息息相關。而現在我國的城市照明系統大部分只能集群控制，不能精準地控制到每一個路燈的開關。這樣就難免造成大量的電能浪費，由此可以看出設計一個可以精準控制到每一個路燈的路燈控制系統是目前首要解決的難題。

為此，本文研究出基于電力載波線和GPRS為通信網絡的路燈控制系統，通過撥碼開關給每一個控制終端賦予了一個唯一的地址，通過地址可以實現上位機對每一個控制終端的精準控制。

1 通信機制

系統的通信方式采用以GPRS為一級網絡，以電力載波傳輸為二級網絡路燈組網，上位機與集中控制終端通過GPRS無線連接，而集中控制終端和子終端之間通過電力載波的方式進行數據傳輸，通過這用方式可以不用額外架線，降低通訊成本。

通過給每一個終端安裝撥碼開關，就可以人工現場設置地址，這樣路上位機可以通過地址精準的命令和監控每一個終端，還可以現場隨意調換位置，方便安裝。通信模塊，兩級網絡等都需要軟件編程實現；路燈監控中心需要設計合理的軟件界面，簡化操作流程，方便管理人員操作。

1.1 Modbus通訊協議

本文通過電力載波線實現上位機與路燈終端之間通訊并且采用協議為Modbus，其中它有兩種傳輸數據的方式：ASCⅡ和RTU，由于RTU方式的傳輸效率高，采用CRC校驗的方法，數據傳輸準確，所以本文采用RTU的傳輸方法。

通過設定16位Modbus碼中的內容，上位機把需要發送的信息其中包括地址，CRC校驗，讀寫，PWM口輸出占空比等信息放入到Modbus碼中通過GPRS無線發送到集中控制終端，當集中控制終端通過串口接收到的Modbus碼進行識別和完成相應的指令，然后集中控制終端把Modbus碼通過載波發送把控制信號發送到電力載波線上后子終端通過電力載波線接收到Modbus信號后完成相應的指令在生成回復的Modbuss信號發送回上位機，通過回復我們在上位機就可以看到信號的執行情況。

1.2 載波通訊電路設計

硬件電路主要以發射電路，功率放大電路，電源電路，耦合電路，濾波電路組成。其中通信系統選用用福星曉成公司生產的PL3106芯片。因為該芯片具有電力載波通訊芯片內置半雙工異步擴頻通訊調制,解調器，可以實現基于BPSK的直序擴頻通訊。具有邏輯控制能力及載波通信功能，抑制高頻信號衰減，使各通信節點能夠實時的、可靠的通信，達到對城市照明進行網絡化、實時化、精確化和動態化控制的目的。

如圖1所示為路燈終端結構圖，因為本次設計采用主從一體的設計理念，就是所有終端都已一樣的，只要連接上位機的那個就是主終端，其他的都為從終端。當下圖為主終端的時候，上位機的控制信號通過串口發送到主控芯片中，經過功率放大電路，濾波電路和耦合電路后把控制信號發送到電力載波線上，同樣從終端發送到電力載波線上的控制信號僅經由耦合電路和接受電路把控制信號傳入到主控芯片中，最后由串口電路發送回上位機。當下圖為從終端時，控制信號從電力載波線上接收到主控芯片中，通過控制信號的內容從而芯片控制PWM端口改變占空比從而改變后端電子鎮流器的功率從而改變燈亮度，達到節能環保的目的。

圖1 路燈終端結構圖

1.3 PSK調制

PSK調制（相移鍵控）：PSK調制方式是數字基帶信號對載波相位進行的一種調制方法。此調制方式相對于其他調制方式來說，主要有以下幾點優勢：一是頻譜利用率高（與ASK系統相同）；二是抗干擾性能好。從理論上說，PSK系統中載波傳輸數字信號的情況最佳，所以，在要求數據在高速傳輸中應用得較為廣泛。示意圖如圖2所示。

圖2 PSK調制過程

本文使用的PL3106為控制芯片自帶調制解調控制功能，其中主終端通過電力載波線向外發送信號時，信號不能直接發送到電力載波線上需要首先進行PSK調制，這樣可以提高信號在電力載波線上傳輸的抗干擾能力，調制后的信號如圖1所示。子終端從電力載波線上接收信號時，首先需要解調，解調信號如圖2所示，只有經由解調后的信號主控芯片才能接收。

圖3 調制后的波形圖

圖4 解調后的波形圖

2 軟件系統設計

本次軟件設計主要介紹了集中控制終端的串口發送與接收，子終端的載波接收與發送。系統采用主從通信方式其中集中控制終端為主節點有唯一地址，而其他子終端為從節點，有唯一網絡地址，每一個節點通過對地址的判斷，來識別消息是否發送給自己節點，是否做出相應的調整。

2.1 串口發送

串口發送程序流程圖如圖5所示，首先發送一個字節的數據，發送完成字節數減一，然后在發送下一個字節，一直這樣循環發送直達字節長度為零，跳出循環程序，發送結束。

圖5 串口發送流程圖

2.2 串口接收

集中控制終端除了要在電力載波線上收發消息還需要與GPRS進行串口通信，集中控制終端通信設計如圖6所示。串口收到控制信號時首先需要進行判斷地址是否正確,如果地址正確則進行接收，地址正確后進行接收剩余字節。如果規定時間內接收完成，則完成標志位置位，完成接收。接收到的正確信號存入寄存器中進行處理并執行相應的命令。

圖6 串口接收流程圖

2.3 載波發送

每一個子終端都與要從電力載波線載波接收和發送消息，根據電力載波線通訊擴頻調制和解調原理，如圖7所示。載波發送Modbus命令碼之前，先需要發送40個比特的1完成PL3106芯片自帶的解擴捕獲和同步訓練，然后發送兩個字節的同步幀頭的0x09AF。因此在載波發送時，在完成前部發送對接枕頭后，才能發送在數據緩沖區的16位的Modbus碼。

圖7 載波發送流程圖

2.4 載波接收

載波接收程序流程圖如圖8所示，當從電力載波線上接收到信號的時候觸發載波中斷，進入載波接收程序，先一位一位接收1bit因為Pl3106發送載波時首先會發送40個比特的1來進行解擴捕獲和同步訓練，然后向左滑動一位繼續接收下一位數據，直到接收到幀頭0x09AF，然后開始接收Modbus數據，按照8位一個字節的方式接收，每接收一個字節，計數長度加一。直到接收完所以的Modbus數據，退出中斷。

圖8 載波接收流程圖

3 系統測試

在路燈通信系統測試中，上位機通過GPRS發送控制信號給集中控制終端，再通過電力載波線把控制信號發送到各個子終端，通過上位機發送的控制信號的內容來控制各個終端的PWM端口（PWM端口的占空比如圖9和圖10所示，分別為占空比為70%和占空比為50%的情況下），發送PWM信號的占空比來改變后端負載燈具的功率，來減少燈的亮度，從而節省電能。

圖9 占空比70%

4 結語

通過實驗對上位機，集中控制終端，子終端間的通訊情況進行了測試，并按照目標改變了占空比，達到的調節功率的目的，同時也有很強的穩定性和準確性。

圖10 占空比50%