基于低壓電力線的智能載波模塊的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一款新型的基于低壓電力線的智能載波模塊，該設(shè)計(jì)選擇PHILIPS 公 司的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 作為核心控制芯片，外部具有標(biāo)準(zhǔn)的UART、I2C、SPI 串 行通訊接口；采用相位脈沖調(diào)制解調(diào)法在低壓電力線上調(diào)制和解調(diào)信號(hào)；采用改進(jìn)的Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)在低壓電力線上的傳送。

1 引言

低壓電力線載波通信（POWER Line Communication）是指利用已有的低壓電力線網(wǎng)絡(luò)作 為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)[1]。低壓電力線載波通信這種傳輸信道分 布廣泛、無(wú)需另建、即插即用、移動(dòng)方便的特點(diǎn)對(duì)于滿足人們的需求具有很強(qiáng)的吸引力， 該技術(shù)現(xiàn)在正日益引起人們的關(guān)注。

在中國(guó)，即使歐美國(guó)家成熟的低壓電力線通信產(chǎn)品在我國(guó)的使用效果卻很不理想，甚 至不能使用。因此，低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)目的就是研制一種性價(jià)比較高的載波 通信模塊，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定和長(zhǎng)距離的傳輸。

2 低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

低壓電力線智能載波模塊的主要功能是：外部控制系統(tǒng)把要傳送的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART、I2C 或SPI 串行接口傳送給P89LPC932，再通過微控制器和調(diào)制電路部分把數(shù)據(jù)調(diào) 制到低壓電力線上；同時(shí)，把低壓電力線上所調(diào)制的數(shù)據(jù)通過解調(diào)電路部分解調(diào)出來(lái)并通 過P89LPC932 標(biāo)準(zhǔn)的UART、I2C 或SPI 串行接口把低壓電力線上的數(shù)據(jù)傳送給外部控制 系統(tǒng)以進(jìn)行相應(yīng)的處理。其模塊整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示[2]。該設(shè)計(jì)以PHILIPS 公司生產(chǎn) 的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 為控制器，以性價(jià)比高的模擬、數(shù)字電子器件和一些電容電 阻構(gòu)成相位檢測(cè)電路和調(diào)制解調(diào)電路。

2.2 相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理

相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理[3-4]就是在正弦低壓電力線每個(gè)周期的固定相位處加一瞬時(shí)的 零脈沖信號(hào)。當(dāng)在正弦交流電一個(gè)周期中調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，在固定相位點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬 時(shí)零脈沖。當(dāng)正弦交流電一個(gè)周期中沒有調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，不出現(xiàn)瞬時(shí)零脈沖，因此，用 有沒有瞬時(shí)零脈沖來(lái)識(shí)別低壓電力線上載有的“1”、“0”信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 微控制器的選型

本設(shè)計(jì)中選擇 PHILIPS 公司生產(chǎn)的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 微控制器[5]，P89LPC932 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合。其主要的特性有： 在同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件的6 倍，只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達(dá)到同 樣的性能，降低了功耗和EMI；增強(qiáng)型UART，400kHz 字節(jié)方式I2C 通信端口，SPI 通信 端口；可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC 振蕩器選項(xiàng)；可編程的I/O 口輸出模式：準(zhǔn) 雙向口，開漏輸出，推挽和僅為輸入功能。

2.3.2 相位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的相位檢測(cè)電路，即是在正弦交流電固定的相位點(diǎn)，使相位檢測(cè)電路產(chǎn) 生具有一定占空比的方波信號(hào)，由此方波給P89LPC932 提供50Hz 的外部中斷信號(hào)，相位 檢測(cè)電路硬件原理圖如圖2 所示：

圖中，N 點(diǎn)接220V 交流電的零線，A 點(diǎn)接220V 交流電的火線，同時(shí)作為系統(tǒng)的模擬 地COM 端。R3 和R4 通過串聯(lián)接法構(gòu)成通路，由分壓公式可知，B 點(diǎn)的電壓為6V。即電 壓比較器U3A 的反向輸入端被鉗位于6V，N 點(diǎn)和A 點(diǎn)通過電阻R1，R2 和電容C1 也形成 回路，由電路原理可知，在電壓比較器U3A 的同向輸入端處形成和工頻交流電同頻率但幅 值降低的正弦交流電，當(dāng)電壓比較器U3A 的同向輸入端電壓高于反向輸入端電壓6V 時(shí)， 電壓比較器U3A 的輸出端輸出10V 的高電平信號(hào)，當(dāng)電壓比較器U3A 的同向輸入端電壓 低于反向輸入端電壓6V 時(shí)，電壓比較器U3A 的輸出端輸出0V 的低電平信號(hào)。因此，得到一定占空比的方波信號(hào)，作為P89LPC932 的外部中斷輸入信號(hào)。經(jīng)計(jì)算可知，方波信號(hào)高 電平持續(xù)的時(shí)間為12ms，低電平持續(xù)的時(shí)間為8ms。

2.3.2 信號(hào)調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)制電路的功能主要是在 P89LPC932 接受到外部中斷輸入信號(hào)后，完成微控制器 所發(fā)送數(shù)據(jù)在低壓電力線上的調(diào)制工作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上的傳送。信號(hào)調(diào)制電路 硬件原理圖如圖3 所示。