宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计.pdf

Telecom Power Technology 1 Sep.25,2023,Vol.40 No.18 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.18.001宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计孙业栋（国网河北省电力有限公司营销服务中心，河北 石家庄 050000）摘要：通过对宽带电力线基础理论的分析，提出一种将经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法与嵌入式软件相结合的新型电力线通信方式，提高系统的效率和稳定性。同时，结合宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计采集单元与通信单元，实现系统的实时交互，优化电力输送效果，促进电力通信领域的发展和进步。关键词：宽带电力线；一体化嵌入式系统；载波通信Design of Broadband Power Line Carrier Integrated Embedded SystemSUN Yedong(State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Marketing Service Center,Shijiazhuang 050000,China)Abstract:Based on the analysis of the basic theory of broadband power line,a new power line communication method combining Empirical Mode Decomposition(EMD)algorithm with embedded software is proposed to improve the efficiency and stability of the system.At the same time,the acquisition unit and communication unit are designed in combination with the broadband power line carrier integrated embedded system to realize the real-time interaction of the system,optimize the power transmission effect and promote the development and progress in the field of power communication.Keywords:broadband power line;integrated embedded system;carrier communication0引言随着人们对数据传输需求的不断增加，传统的电力线通信技术已无法满足人们的要求1。文章提出一种宽带电力线载波一体化嵌入式系统，具有较高的带宽和稳定性，可以实现高效的数据传输。该系统不仅能提高电力线通信的速度和效率，还能降低成本，减少对环境的影响，并可以应用于其他领域，如智能家居、智慧城市等。1宽带电力线载波通信概述宽带电力线载波通信技术是一种新型的无线通信技术，利用电力传输线路作为传播介质，实现对终端设备的数据传输。这种通信方式具有低成本、高可靠性以及高效率的特点，广泛应用于智能电网、物联网等方面。宽带电力线载波通信的基本原理是基于双模调制技术，将数字信号转换为二进制码，然后进行模数转换并发送到电力传输线路上。在接收端，通过解调器将带宽有限的载波信号提取出来，并将其转化为数字信号进行处理。相较于传统的无线电通信技术，宽带电力线载波通信无须建立独立的通信网络结构，可以充分利用现有的电力传输线路资源。电力传输线路具有抗干扰能力强、电磁辐射较小等特点，能提供更高的信道容量和更稳定的性能。然而，宽带电力线载波通信也存在一些缺陷，如功率限制和频率选择等问题2。2宽带电力线载波通信的特点宽带电力线载波通信技术的主要特点包括以下 5个方面。第一，低功耗。由于电力传输的特殊性，需要在保证供电的同时尽可能减少功率消耗，因此宽带电力线载波通信技术必须具有极低的功耗特性。第二，高可靠性。电力供应对人们的生活起着关键作用，因此宽带电力线载波通信技术必须具备较高的可靠性，能够保证通信的持续稳定。第三，高效率。电力传输系统通常需要承载大量的数据流量，而宽带电力线载波通信技术可以实现高速的数据传输，提高数据传输效率。第四，安全性。电力传输系统受各种安全威胁的可能性较大，如窃听、干扰及破坏等，因此宽带电力线载波通信技术必须具备较强的安全性能，保障数据的安全性和保密性。第五，可扩展性和灵活性。电力传输系统往往需要不断进行升级改造，以适应新的通信需求和发展趋势，因此宽带电力线载波通信技术应该具备一定的可扩展性和灵活性，能够满足不同场景的应用 需求3。3宽带电力线载波通信的关键技术宽带电力线载波通信的关键技术包括信号传输收稿日期：2023-07-13作者姓名：孙业栋（1988），男，河北保定人，本科，工程师，主要研究方向为电力系统计量自动化生产系统研究与运维。2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期Sep.25,2023,Vol.40 No.18Telecom Power Technology 2 技术和数据处理技术。信号传输技术主要包括载波调制技术和载波解调技术。载波调制技术是将载波信号进行数字化或模数转换，以便后续的信号处理操作。载波解调技术则是对载波信号进行解码或还原，恢复出原始数据流。这 2 种技术是实现宽带电力线载波通信的基础，也是整个系统的核心。数据处理技术也是宽带电力线载波通信的重要组成部分。它主要负责对传感器采集的数据进行预处理、分析及存储，并对用户端的信息进行编码、解码及传输等。除此之外，其他一些辅助技术也起着至关重要的作用。例如，电源管理技术能有效监测整个系统的供电状态；网络协议技术能确保不同设备之间的顺利通信；安全防护技术能保障系统运行的安全性4。这些技术的综合应用可以使宽带电力线载波通信系统更加高效、稳定、安全。4宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计4.1总体硬件结构设计宽带电力线载波一体化嵌入式系统的总体硬件结构如图 1 所示，包括电源模块、通信模块、中继器模块以及控制模块。通信模块是整个系统的核心，负责接收并解码数据信号，然后将其发送到网络中。本研究的通信标准采用 RS-485 协议，该协议具有低功耗、高可靠性以及易于实现等优点。同时，为提高系统的稳定性和健壮性，引入自适应功率控制技术来优化传输速率。电源模块主要由电池组和充电电路组成，电池组采用锂离子聚合物电极材料制成，可将外部电源转换为适合的电压输出，以满足系统的供电需求。此外，电源模块可以监测电压波动情况，及时调整输出电压的大小。电源模块充电电路电池组监测电压波动通信模块解码数据信号接收数据信号RS-485协议通信中继器模块转换信号放大电信号控制模块主控芯片外围器件执行指令图 1总体硬件结构中继器模块负责将来自电源模块的信号转换为电信号，并将电信号放大到足够强度，确保信号能覆盖整个小区。控制模块主要包括主控芯片和外围器件。主控芯片用于处理数据、执行指令，并具备时钟管理、中断服务以及串口通信等功能。外围器件主要用于连接外部设备，如发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯泡、温度传感器等。4.2采集单元设计为全面监测和控制电力系统，本设计采用基于双模数据采集的方式来实现数据采集。宽带电力线载波一体化嵌入式系统采集单元包括中央控制中心、计算机模块、显示器、控制器、存储器、通信电路以及电源供应设备等，整体架构如图 2 所示。该采集单元的优势在于采用双向传输方式，即双模信道。整个应用流程只需一个集中器就能实现，主站无须参与，有效提高了数据采集效率，且降低了系统的复杂度。中央控制中心使用高性能硬件芯片 S3C2440，可以将电力线宽带载波技术、红外通信技术、RS-485远程通信模块RS-485通信模块红外通信模块显示单元常用电源中央控制中心计算模块数据接口宽带接口电流I电压U备用电源控制单元存储单元通信单元图 2 采集单元结构 2023 年 9 月 25 日第 40 卷第 18 期 3 Telecom Power TechnologySep.25,2023,Vol.40 No.18 孙业栋：宽带电力线载波一体化 嵌入式系统设计通信协议以及通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）有机结合，使控制中心与上级管理机构的信息交流更高效。该采集单元使用嵌入式 Linux 操作系统，具有多种 I/O 接口，可以进行各种数据交换，有效提升数据处理能力5。通过将经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法与嵌入式软件相结合，实现高效的嵌入式计算。在数据处理过程中，采用多层过滤和去噪方法，以提高信号质量，并降低噪声干扰。通过嵌入式算法可以获得信号的频谱特性，实现对信号的有效检测和分类。此 外，利 用 现 场 可 编 程 门 阵 列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技术可实现高速的数据处理功能，加快数据处理速度。4.3通信单元设计通信单元主要用于连接宽带电力线，通常由接收器、发射器、微处理器以及耦合电路组成。其中，接收器主要负责从电线上获取信号并进行解码处理；发射器将数据发送到电线；微处理器作为系统的核心部件，对数据进行编码和解码，并控制整个系统的工作流程；耦合电路则用于保证信号在不同频率范围内能正常传递。为提高数据传输效率，选择MAX2986 和 MAX2980 模块作为发射器与接收器，W90N740 作为微处理器，并使用单片机技术进行耦合。随后，W90N740 处理器会根据 MAX232 芯片的指令进行电平变换，从而实现有效的数据传输。这款 32 位微处理器融合先进的嵌入式硬件技术，内置的高性能底层软件能准确识别宽带电力线载波的故障或风险，有效提升系统的稳定性和可靠性。通信单元整体设计如图3 所示。宽带电力线载波通信的可靠性和稳定性对整个系统的运行至关重要。因此，采用一种有效的失效算法确保系统运行的可靠性和稳定性非常重要。同时，采取一些其他优化措施，如减小发射器输出功率、降低噪声干扰等，以提高系统的健壮性和抗干扰性。MAX2986W90N740FLASHHY29LV160RTCE2PROMAT93C46JTAJEBISDRAM986432DHOSC15 MHzOSC15 MHzICERS-232MAX2980耦合电路图 3通信单元设计5 结 论文章设计了一种宽带电力线载波一体化嵌入式系统，其主要特点是能在宽带电力线上同时传输数据信号和电源信号，具有较高的可靠性和稳定性。该系统可以提高电力通信的速度和效率，降低成本，减少对环境的影响。实际应用中，为确保其性能的准确性和可靠性，还需要进行一系列测试。通过宽带电力线载波一体化嵌入式系统的设计，为未来的智能电网建设提供重要的技术支持，推动电力行业向好 发展。参考文献：1 李兵.电力线载波通信专用宽带芯片的设计 J.电子技术，2023，52（5）：28-30.2 张仕奇，田恒.基于分数型锁相环的宽带电力线载波通信时钟同步方法 J.电子测量技术，2022，45（1）：49-55.3 王清，荆臻，李琮琮，等.宽带电力线载波通信物理层资源分配新算法 J.电测与仪表，2021，58（7）：124-129.4 李洋昕，张咏秋.一种基于底层映射的宽带电力线载波通信 MAC 层优化调度新方法 J.通信技术，2021，54（1）：125-129.5 余敏.基于 HPLC 宽带电力线载波技术的配电电压质量在线监测方法研究J.四川电力技术，2020，43（6）：81-85.