基于单片机的窄带电力线载波通信模块设计_石自辉.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 基于单片机的窄带电力线载波通信模块设计石自辉（国能龙源电气有限公司 技术中心，北京 ）摘要：设计了基于通用单片机的电力线载波通信模块。首先给出了载波模块的总体设计，其次进行了详细的软硬件设计，最后进行了模块测试。载波模块采用瑞萨高性能单片机 、的解调芯片 及外围电子元器件，设计了过零检测电路、载波耦合电路、载波发送放大电路、载波解调电路，形成了先进的低成本电力线载波模块硬件。软件采用了 调制、直接扩频技术，设计了单芯片三信道通信软件流程，在有限的计算资源下实现了三信道通信互不影响，并给出了发送与接收模块程序设计、解码算法设计，实现了高灵敏度的 频率的电力线载波通信。该设计具有实现成本低、研发投入小等优势，在电力线物联网领域具有一定的实用价值。关键词：；直接扩频；中图分类号：；文献标识码：（，）：，：；引言由于采用电力线作为通信媒介，电力线载波通信技术具有辐射小、通信距离远、实现成本低等特点，在用户用电信息采集系统、智能家居方面应用广泛。相对于专用芯片方案，采用通用芯片实现的电力线载波通信具有实现成本低、研发投入小等优势。由于家用电器、充电器、动力设备等工作带来的干扰，电力线上传输信号非常容易受到干扰，特别是一些电器设备质量较差，反馈到电力线上的各次谐波较大，严重影响了电力线载波通信的性能，因此设计一种低成本、高抗干扰性、远距离传输的电力线载波通信模块存在巨大挑战。参考文献 是基于载波芯片设计的应用系统，无载波芯片的硬件与软件详细设计；参考文献 采用了 和专用模拟前端，硬件成本较高；参考文献 采用峰值检测与数据保持模块，未使用过零检测电路。本文设计的基于通用单片机的电力线载波通信模块采用了瑞萨高性能单片机 、的解调芯片 及少量外围电子元器件，解决了单芯片实现三信道通信和高灵敏度解码的问题，实现了（）频率的电力线载波通信，对于要求低成本、远 距 离 传 输、高 抗 干 扰 的 场 景，具 有 较 高 的 应 用价值。模块总体设计电力线载波通信模块由 、发送载波放大电路、载波耦合电路、接收载波滤波电路、接收载波解调电路、过零 年第期 检测电路、隔离电路、外部晶体、指示灯、通信与电源接口、电源、接口等组成。总体设计如图所示。图电力线载波通信模块总体设计 模块硬件设计图 外围电路设计 选型与设计电力线载波通信与专线通信不同，需要克服电力线上的信号干扰，需要单片机具有较强的计算能力。芯片必须有乘法器，单指令完成乘法运算，双指令同期完成乘加运算；处理器至少具有级流水线结构，以使用更高级的算法。为区分 和 频率，要求定时器时钟最低分辨率小于等于 ，总线频率不低于 。根据单芯片实现三信道通信的要求，芯片需具有个引脚可以用于输入采样，有个引脚可以设置输出方波。根据算法要求，需具有不少于个 位定时器，各个定时器可同时用于定时和输入捕获。根据上述要求，设计方案采用了瑞萨的高性能先进 位单芯片控制器 。图中，对单片机的引脚进行了 重 新 定 义，并 设 计 最 小 系统。作为电路的核心，具有电路控制、通信、载波发送与接收解码等功能。在本设计中，引脚为单三相模块选择引脚；引脚为 相过零点检测中断输入 引 脚；引 脚 为 载波调制输出引脚；、引脚为 串口通信口；引脚为解调后的信号输入引脚。载波耦合电路载波耦合 电 路 实 现 交流电与单片机能处理的信号（电压）之间的转换，电路如图所示。当接收信号时，交流 电源上的载波信号经过安规电容 和电感 后，输入到隔离变压器；隔离变压器引脚为接收信号 。当发送时，发送信号 、为反向信号，经过放大电路放大，形成峰峰值大约为 的波形。经过隔离变压器耦合到交流侧，输出到电网上。载波发送放大电路载波发送放大电路如图所示，载波发送放大电路为推挽电路，实现了 信号的推挽放大。信号来自于单片机，端的信号注入到 的引脚，并通过 的引脚实现电压反向，正向与反向电压通过 、实现放大。载波接收解调电路载波接收解调电路如图所示，载波接收解调电路用于将频率信号解调为低频扩频信号。载波解调电路由陶瓷鉴频器 、陶瓷滤波器 及（）组成。信号中心频率为 ，当频率高于 时，输出 为高电平；当频率低于 时，输出 为 低 电 平，解 调 后 的 码 速 率 为 。的第 引脚为 信号，输入前要经过电感、电阻、电容滤波，并设计一对二极管用于双向释放小信号，防止 信号累积。电路中 的 引脚敬请登录网站在线投稿（）年第期 图载波耦合电路图载波发送放大电路 输出 信号，经过阻容滤波电路后，输入到单片机的第 引脚 ，进行 采样。图载波接收解调电路 过零检测隔离电路过零检测电路实现方式较多，主要用于检测 与 间的交流电压转换为的弱电信号，在交流过零时刻输出下降沿。在此，采用分压电阻、达林顿放大器晶体管、齐纳稳压二极管进行分压、取样。采用光电 隔 离 实 现 降 压 后 的 交 流 侧 与 弱 电 侧 的隔离。模块软件设计模块软件设计包括模块软件主流程、初始化流程、各相处理流程、载波发 送 与 接 收 设 计、载 波 解 码 算法等。模块软件主流程该芯片 设 计 了、三 个 信道，各信道独立工作，互不影响，有利于信号远距离传输。模块软件主流程如图所示。主程序开始后，执行初始 化，进 入 主 函 数 主 循环。初始化函数开始后，依次执 行 系 统 初 始 化、存储初始化、设置定时器、设置 串 口、设 备 工 作模式、初始 化 变 量、中 断 使能操作。主循环执行时，依次判别是否为 相、相、相处理时 间，若 是，则 进 入各个处理任务，处理完各相的任务后，进入软件时钟处理函数，执行完成后，再次进入循环。软时钟处理模块 处 理 与 软 件 时 钟、串口数据处理等相关的任务。各相处理流程软件的核心处理流程如 图 所 示，依 次 判断当前时隙状态是否为发送 状 态、是 否 为 接 收状态，执行完成后，再判断上一个时隙状态。依次判断上一时隙状态是否为 接 收 状 态、发 送 状态、分 析 状 态、读 表 状态，相 应 状 态 函 数 执 行完成后，结束本相处理流程；如果上一时隙状态判断均为否，那么执行置上一时隙状态为接收状态。当前时隙状态为发送状态时，如有要发送的数据，则设置发送寄存器，并中断使能，成功自动执行中断发送，发送完置为接收状态。当前时隙状态为接收状态时，设置 采样通道，定时中断使能，开始接收载波后，在当前时隙中断函数自动采样。年第期 图程序主流程若上一时隙状态为接收状态，则对上一时隙 位采样数据进行计算分析，对采样的 数 据 进 行 整 理、计 算 其 ，判断输出是还是；将接收到的位值按照位写入载波接收数组中，并对接收数组进行帧格式判断处理。若上一时隙状态为分析状态，则收到一帧后首先进行帧校 验。若 帧 校 验 正 常，则进行地址判断。若地址是目的地址，则置读表状态，执行串口通信；若是中继地址，则组织载波中继帧，执行中继转发，置上一时隙状态为发送状态。若上一时隙状态为读表状态，则将载波数据转换为串口数据，执行串口通信，串口中断程序自动发送要发送的数据，发送完成打开串口接收中断，并设置一个等待超时时间，自动接收串口数据；每次进入上一时隙读表状态时，判断串口等待是否超时以及是否有串口回令。若超时结束串口等待，则结束读表状态；若有串口返回数据，则组织载波回令帧，并置上一时隙状态为发送状态，设置要发送的相关标志，下一次时隙进入发送状态。载波发送与接收设计 载波发送设计载波发送程序将要发送的数据依次按照位进行扩频、调制发送到电力线上。经直接扩频、载波调制后，用 组 的 、的 传输，用 组 的 、的 传输。采用数组定 义 载 波 频 率，定 义 数 据 ，存储发送的 位为或的定时器的值，分 别 用 组 、和 组 、表示。当有要发送的数据时，在主流程中置发送开始标志，启动 定时器，启动定时器，定时器定时时间为 、，每 切换定位器的值。主程序中只对定时器进行启动、关闭操作，采用中断方式进行频率切换，即可将调制波发送出去。核心 代 码：；（）；。图各相处理流程敬请登录网站在线投稿（）年第期 载波接收设计载波接收模块程序实现数据的自动中断采样，将采样的数据放入两个采样缓冲数组。部分常量与变量定义如下：；。、为采样的缓冲数组；为采样指针；为相临间隙切换数据缓冲标志。若当前时隙标志是接收模式，则在中断程序中执行采样，采样周期为 ，即对于每一个过零点附近采样时间均为 。由于接收采样时刻与发送载波信号的发送时刻不可能正好对齐，因此采样时间（）大于发送时间（），保证整个发送波形在采样范围内。采样的核心代码：（）（）；为单片机采样寄存器的值。载波解码算法程序进入某一时隙后，对上一个时隙采样的数据进行判断。在有干扰的情况下，波形较差，因此需要通过数据处理算法来提升信号识别的灵敏度。本模块采用了 载波解码算法，识别接收到的采样值表示的位值。执行 算法前，将采样得到的数据进行整理。取 个采样数据并分为组，每 个点对应位相加，变为一组 点长度的数组 ，然后再对这一组数据进行 计算。当然也可以将数据整理成为 个点（约 时间长度）的数组。计算 的参数值，并转换为整数。的计算公式：。用 计 算 出 的 参 数 值 和 ，它们都是复数，并且实部、虚部均为小数（均小于），为方便单片机计算，将复数的实部、虚部分别存储，并将小数均乘以 变换为整数。接下来分别计算次波和次波的 值，并比较其大小。每个数与参数值实部、虚部相应位计算一次乘积，即将每个 与参数 的实部和虚部的相应位分别相乘，每次乘法计算后，将得到的实部与虚部值分别加到上一次计算的和上，次乘加计算后的乘加值计为 和 。采用硬件计算单元实现循环乘加计算，提高计算效率，然后计算 （），即为最终的 值。次波与次波计算的 值比较大小，来识别接收到的 位是还是。模块测试测试系统在净化电源网络下，电脑通过串口连接载波抄控器，载波抄控器连接可调衰减器，衰减器接到 净化电源上，可调载波负载、信号耦合装置、载波表或终端直接与 净化电源相连，信号耦合装置另一侧根据测试内容不同分别接示波器、频谱仪或信号发生器。应用上述测试环境分别对测试载波表端发送电平、接收灵敏度、通信抗干扰、阻抗特性进行了测试，测试数据如表所列。表测试数据被测表号载波表端发送电平 接收灵敏度测试 通信抗干扰测试阻抗特性测试 相：；相：在 衰减下：居民住宅噪声，扫描模式，扫描时间 ，级，振幅 总线型结构，级，等效系数为 结语本文对基于通用单片机的电力线载波通信模块进行了详细的硬件、软件设计，并对核心算法进行了重点阐述，采用本文设计的流程可较好地处理单芯片的三信道通信问题，采用本文的 算法，具有较高的灵敏度与执行效率，较好地解决了实际工程应用问题。测试了载波模块的主要技术指标（发送电平、接收灵敏度、通信抗干扰、阻抗特性），测试结果达到设计目标。该设计是一种具有较低成本、设计灵活、通信距离远的窄带电力线载波通信模块，在物联网、用电信息采集系统上应用效果良好，具有较高的工程应用价值。参考文献别致，王翥，陈翔宇，等 智能电力线载波通信模块的设计自动化仪表，（）：，黄雷，徐磊，汪向华，等变电站电力参数的电力载波通信系统设计 单片机与嵌入式系统应用，（）：陈曦，王海星 基于 的电力载波通信系统设计 自动化技术与应用，（）：张向飞，丁永生，王运圣基于电力线载波的农业物联网节点和集控器设计 上海农业学报，（）：陈永红，张砦，黄莉莉，等基于 的机载电力线载波通信调制解调模块设计 计算机测量与控制，（）：河南平高电气股份有限公司 一种低压电力线载波通信电路：石自 辉基 于 电 力 线 载 波 芯 片 的 通 信 系 统 的 设 计 与 研 究 年中国电机工程学会年会论文集，：石自辉（高级工程师），主要研究方向为嵌入式系统、通信系统及新能源发电。通信作者：石自辉，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）