基于电力线通信模式的LON控制器的设计.pdf

总第 4 8卷第 5 4 4期 2 0 1 1 年第 0 4期 电测与仪表 El e e t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0 I 4 8 NO 5 4 4 Ap r 2 01 1 基 于 电力线通信模式 的 L O N控 制器 的设计 术 成建生 ， 杨帅 ， 薛岚 ( 1 江苏电子产品装备制造工程技 术研 究开发 中心，江苏 淮安 2 2 3 0 0 3 ； 2 淮安信息职业技术学院， 江苏 淮安 2 2 3 0 0 3 ) 摘要： 介绍了一种基于 L o n Wo r k s 电力线通信模式的H O S T B A S E结构控制器， 通过 P L T一 2 2的双频载波传输 特性配合 MC 1 4 3 1 5 0实现 了在 电力线上 的可靠通信 。控制器 内部 主机 A T 8 9 S 5 1与从机 MC 1 4 3 1 5 0之 间采用 S l a v e B并行传输模式 ， 数据通信通过传递虚拟令牌得 以实现 ， 解决了数据总线冲突 问题 。应用表 明： 控制器在 主干式网络上通信可靠 ， 无需重新布线 ， 即插即用 ， 具有很大 的推广价值 。 关键词 ： L o n Wo r k s ； 电力线通信 ； P L T一2 2 ； MC 1 4 3 1 5 0； 虚拟令牌 ； S l a v e B 中图分类号 ： T M 7 3 ， T P 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 8 6 0 4 De s i g n o n Lo n W o r k Co n t r o l l e r Ba s e d o n Po we r Li n e Co mmu n i c a t i o n M o d e CHEN G J i a ns h e n g ， YANG S h u a i ， XUE L a n 。 ( 1 J i a n g s u E n g i n e e r i n g T e c h n i c a l R & D C e n t e r f o r E q u i p m e n t Ma n u f a c t u ri n g o f E l e c t r o n i c P r o d u c t s ， H u a i a n 2 2 3 0 0 3 ， J i a n g s u ， C h i n a 2 H u a i a n C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d T e c h n o l o g y ， H u a i a n 2 2 3 0 0 3 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：L o n Wo r k c o n t r o l l e r b a s e d o n p o w e r l i n e c o mmu n i c a t i o n mo d e a c h i e v e s r e l i a b l e c o mmu n i c a t i o n u s i n g P L T一 22 f e a t u r e d d u a lb a n d t r a ns mi s s i o n a nd MC1 4 31 5 0Ho s tba s e d L o n W o r k s c o nt r o l l e r u t i l i z e s S l a v e B p a r a l l e l t r a n s mi s s i o n mo d e b e t we e n ma s t e r p r o c e s s o r AT 8 9 $ 5 1 a n d s l a v e p r o c e s s o r MC1 4 3 1 5 0，wh i c h r e a l i z e s d a t a c o mmu n i c a t i o n b y v i r t u a l t o k e n t r a n s mi s s i o n，a n d s o l v e s p r o b l e m o f d a t a b u s p r e e mp t i o n P r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i n e l e c t r i c p o we r s y s t e m s ho ws L o n W o r ks c o n t r o l l e r s a p p l i e d o n b a c k b o n e n e t wo r k k e e p r e l i a b l e c o mmu n i c a t i o n wi t h o u t wi rin g a g a i n， a n d c a n pl u g a n d p l a yS o i t wi l l h a v e g r e a t p r o mo t i o n a l v a l u e Ke y wor ds：Lo n W o r k s ，p o we r l i n e c o mmu ni c a t i o n，PL T 一2 2，MC1 43 1 5 0，v i r t u a l t o k e n t r a ns mi s s i o n，S l a v e B 0前言 电力线 网络是 目前继 I n t e me t 网络 、 P S T N网络 、 G P R S网络的又一大 网络 ， 目前 除了发挥 电力传输的 功用外 ， 在其身上还没有挖掘其他的功能， 存在很大 资源浪费。电力线通信技术是指利用电力线传输数 据和媒体信号的一种通信方式， 该技术在现有的供电 网络上实现数据信号的传输 ， 不需要另外 布线 ， 各种 用电设备之间可以在花费最少的情况下 ， 组成智能 网 络。L o n Wo r k s电力线传输技术利用窄带二进制相移 健控技术( 简称窄带 B P S K) 克服 电力线 中高噪声 、 高 衰减 、 信号畸变大的特点 ， 在不同性能、 不 同频段的电 力网络 中可靠通信 ， 实现 即插 即用。 江苏省科 技厅科 技基础设施 建设计 划资助项 目( B M2 0 0 9 8 2 5 ) 1 P L T一 2 2芯片与 N e u r o n芯片 L o n Wo r k s 电力线通信采用 P L T一 2 2芯片和 N e u r o n芯片实现 ， P L T一2 2采用先进 的双载波频率的数 字信号处理手段 ， 通过数字信号处理器完成数据 的接 收和发送 ， 能够根据 电力线的噪声 动态调整灵敏度 。 启动双频传输模式 ， 当主频率通信受阻时可 自动切换 备用频率继续通信 ， 通 信报文采用 纠错技术 ， P L T一 2 2根据纠错码恢复错误报文。当 P L T一2 2工作在 C 波段 时， 两 个 载 波 频 率 分 别 是 ： 第 一 载 波 频 率 为 1 3 2 k H z ， 第二载波频率为 1 1 5 k H z 。在每个 载波频率 上使用 6 k H z的频率带宽。第一载波频率具有更好 的 畸变纠正能力和更强大的数据包分辨 能力 和抗 噪声 能力 ， 第二载波频率 比第一载波频率的误差校正能力 强。当工作在 A波段时， 第一载波频率是 8 6 k H z ， 第 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 4期 2 0 1 1 年第 O 4期 电测与 仪表 El e c t r i c a J M e a s ur e m e nt & l n s t r u m e n| a t i o n V0 I 4 8 NO 5 4 4 Apr 2 0 1 1 二载波频率为 7 5 k Hz 。两个载波频率被选择时 ， 充分 考虑了 由于 谐 波 而 导致 的两个 载 波 同时被 阻 塞。 N e u r o n 芯片内有三个八位流水线作业的 C P U ； 分别 用于介质访问控制、 网络控制 、 应用处理 ， 这三个 C P U 分别通过片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信 联系 - 2 。N e u r o n芯 片的 C P 0C P 4是五个 通信引 脚 ， 可提供单端、 差分和特殊应用模式三种 网络通信 方式 。 2 控制器的硬件设计 为提高控 制器 的控制 能力 ， 采用 HO S TB A S E 结构 ， 即控制器采用 主从双处理器 ， 神经元作为从处 理器负责信号 的通信处理 ， 作为 主处 理 的微处理 器 ( 如单片机 、 嵌入式 芯片等 ) 负责底层数据 的采集处 理 。本 方 案 采 用 A T 8 9 S 5 1作 为 主 处 理 器 ， 采 用 MC 1 4 3 1 5 0芯片作为从处理器 ， H O S TB A S E结 构控 制器整体框 图如图 1 所示。 电力线H O S T B A S E 结构控制器 现 场 底 层 图 1 H O S TB A S E结构控 制 器整体 框 图 Fi g 1 Bl o c k d i a g r a m o f h o s tba s e d c o n t r o l l e r 2 1 收 发 器 的 设 计 采用 P L T一 2 2芯片构建控制器的收发器 ， P L T一 2 2采用窄带与数字信号处理， 前向纠错算法和双载 波频率克服了电力线歇性噪声大、 信号衰减快、 信号 失真等弊端 ， 确保通信的可靠性 。安装 网络时 ， 无须 对现有布线进行任何调整 ， 使用方便灵活。P L T一 2 2 由 A D转换单元 、 D S P、 D A转换单元 、 发送放 大和 滤波 电路等构成 J 。控制器 中 MC 1 4 3 1 5 0与 P L T一 2 2的连接图如图 2所示 ， C K o u t 、 C K s e l l 、 C K s e l 0 、 C P 1 、 C P 2 、 C P 4 、 R e s e t 管脚用于和神经元芯片通信 ( C P 0为 空引脚 ， 省略未画) ； R x i n 、 T x o u t 分别是耦合信号输入 和信号输出管脚； P K D为数据包检测指示信号； B I U 为信道被占用指示信号， 外接 L E D作为指示； R x c o m p 用于连接接收补偿器件 ； T X I v l 用于控制输出放大器 的增益。A D转换器把从电力线耦合来的信号滤波 并将模拟信号转换为数字信号。D S P是信号处理 的 核心部分 ， 它一方面将 A D处理后 的数字信 号进行 解码处 理 ， 并将 处理后 的数 据与 MC 1 4 3 1 5 0进行交 换； 另一方面， 它将需要发送的信号进行编码处理。 D A转化器将数字信号处理单元处理后 的要发送 的 数字信号转换为模拟信号。发送放大和滤波电路将 D A转换后的信号进行功率放大并发送到耦合 电 路 。为提高 电气安全性 ， 耦合 电路采 用变压 器隔离 式 ， 并且提高了控制器的抗干扰能力 ， 有效 防止 电压 浪涌对设备的损害。 P L T - 2 2 图 2 f 收发 器连 线 图 Fi g 2 Co nn e c t i o n d i a g r a m o f p o we r l i n e t r a n s c e i v e r 2 2控 制 器主体 设计 为提高控制器 的数据处理速率 ， 控制器中主机和 从机之间的数据传输采用 S l a v e B并行传输模式， 连 接图如 图 2所 示。I O 8为片选 位， 通过 译码 电路 与 P 2 5 、 P 2 6 、 P 2 7相连 ， 由主机驱动 ； 1 0 9为读 写控制 位 ， 与 WR相连 ， 由主机驱动 ， I Ol O为地址输入位 ， 由 主机驱动 ； I O 01 0 7作为数据总线与 P 0 0一P 0 7相 连， 实现现场底层 数据与总线数据 的交换 ， 其 中 I O 0 为复用 位 ， 当 I O1 0输 人 为 0时， I O 0为数 据 位 ； 当 1 0 1 0输人为 1时 ， I O 0为握手控制位 ， 由从机驱动 ， 为 防止主机从握手控制位读到无效的信息， 通过一个 1 0 k的上拉 电阻将该 位拉高。这种 复用模 式允许神 经元芯片驻 留在微处理器的总线上 ， 数据位位于一个 地址 ， 握手控制位位于另一个地址 ， 因此主机 只要访 问不同的地址就能决定 I O 0是数据位还是握手控制 位。主机与从机实现正常的数据通信必须保证两者 复位同步 J ， 复位电路如图 3所示 ， 另外采用 I MP 8 0 9 芯片为控制器提供低电压监钡 4 功能。 3 S l a v e _B模式数据传送程序的设计 对于工作在 S l a v e B模式下的从机 MC 1 4 3 1 5 0在 主机 A T 8 9 $ 5 1的地址空间就相当于两个寄存器， 一 个是读写数据寄存器( 偶地址， I O l O位输入 0 ) ， 用于 被主机读写数据； 另一个是只读状态寄存器( 奇地址， I O l O位输入 1 ) ， 用于被 主机判断握手控 制位状态 。 主机正是通过对这两个寄存器的访问实现 A T 8 9 S 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 4期 2 0 1 1 年第 0 4期 电测与仪 表 El e c t r i c a l Me a s ur e me nt & I ns t r ume n t a t i o n V0 I 4 8 No 5 4 4 Aor 2 01 1 图 3 控 制 器主 从机接 口连接 图 F i g 3 Co n n e c t i o n d i a g r a m o f c o nt r o l l e r t we e n ma s t e r p r o c e s s o r a nd s l a v e p r o c e s s o r 与 M C 1 4 3 1 5 0芯片之间的数据并行传输。为避免主 机 A T 8 9 S 5 1与从机 MC 1 4 3 1 5 0产生数据冲突的问题 ， 提出了一种利用 虚拟令牌 的传输机制 。主机通 过读 写控制位 WR决定两处理器拥有虚拟令牌 的权利 ， 拥 有令牌的一方能够将数据 写入 总线 。当读 写控制位 WR为低 电平 ， A T 8 9 $ 5 1拥有令 牌 ， 它有 权将准备 好 的数据发送给 MC 1 4 3 1 5 0或将令 牌交给 MC 1 4 3 1 5 0 ； 当读写控制位 WR为高电平 ， MC 1 4 3 1 5 0拥有令牌 ， 它 将准备好 的数据发送 给 A T 8 9 $ 5 1或交 出令牌 。 MC 1 4 3 1 5 0固化 的 L o n T a l k协议能够 自动完成 虚拟令 牌传输机制 。A T 8 9 S 5 1 不能 自动完成虚拟令牌传递 ， 需要用 C语言编制 虚拟令牌传递协议。节点复位后 主机与从机 自动建立握手协议 ， 令牌被主机 A T 8 9 S 5 1 拥有 ， 当握 手 控 制位 为低 电平 时 ， A T 8 9 S 5 1向从 机 MC 1 4 3 1 5 0发送同步命令 ， 并 向 MC 1 4 3 1 5 0传递令牌 ， M C 1 4 3 1 5 0在握手控制位为高电平时向 A T 8 9 $ 5 1 发 送应答 同步命令 ， 并将令牌传给主机 。再次拥有令牌 的 A T 8 9 S 5 1 决定是否向 MC 1 4 3 1 5 0发送数据 ， 如果发 送数据， 之后令牌自动传递给 M C 1 4 3 1 5 0 ， 如果不发送 数据， 需要发送传递令牌命令才能将令牌传递给 MC 1 4 3 1 5 0 。每次在片选位由低到高的跳变过程都会 导致握手控制位变高 _ 6 J 。在握手控制位和片选位均 为低时 ， A T 8 9 $ 5 1向 MC 1 4 3 1 5 0发送 数据 ， 如果无 数 据发送则传递空命令 ， 并导致握手控制位 自动变为高 电平 ， 之后 A T 8 9 S 5 1可以读数据 ， 读取数据可导致握 手控制位 自动变为低电平 。主从机 同步 、 握手 、 数据 读写 、 令牌传递的过程如图 4所示 。 图 4 A T 8 9 S 5 1与 MC 1 4 3 1 5 0数 据通信 过 程 Fi g 4 Da t a c o mmu n i c a t i o n be t we e n AT8 9S 5 1 a n d MC1 4 31 5 0 4控 制器 应用 基于 S l a v e B模式 的控制器采用 主干式 网络架 构 ， 如图 5所示 ， 双绞线干 网以 1 2 5 M 的速率传输数 据 ， 电力线分支 网以 1 O k的速率传输数据 ， 干 网的数 据通过路由器与分支网的数据交换 ， 为避免 网络上产 生反射波的干扰 ， 分支网络末端要用 R C方式的终结 器 J ， 网络必须保证每个路 由器连接的子网控制器 数小于 1 2 7， 总的子网数小于 2 5 5 。该网络架构 中每 图 5控 制 器应 用 网络 架构 F i g 5 Ne t wo r k a r c hi t e c t u r e o f c o n t r o l l e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 4期 2 0 1 1 年第 0 4期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e m e nt& I n s t r um e n t a t i o n Vo 1 4 8 No 5 44 Apr 2 01 1 一 个子网控制器的数据通信都在路由器的一侧进行， 不会影响主干网的数据吞吐量 ， 单个控制器和路 由器 的损坏不影响整个 网络正常工作 ， 提高了网络的可靠 性 。干 网处理整个网络的数据信息速率较快 ， 保证了 数据及时处理 ， 防止 了数据通路的阻塞 ， 提 高了网络 的实时性 ； 数据从一个子网的控制器传输给另一个子 网的控制器要通过路 由器 ， 路 由器起 到了中继作用 ， 弥补了传 输 距 离 限制 的不 足， 提 高 了 网络 的拓 扑 长度。 5结束语 基于 L o n Wo r k s电力线通信模式的控制器能够在 电力线上可靠地通信 ， 但是 由于受 电力线上各种调光 器、 马达等用电设备运行过程中产生谐波等噪声、 配 电板的连接、 相间的耦合等因素影响， 控制器的信号 传输距离有限， 需通过电力线路 由器延长距离。通过 电力线传输数据 ， 无需布线 ， 安装维护与设备升级方 便 ， 实现了即插即用 ， 具有很大的推广价值。 参 考 文 献 1 徐建俊 基于神经元芯片 MC 1 4 3 1 5 0和单片机 A T 8 9 $ 5 1的 L O N控 制 器研究 与设计 J 电测与仪表 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 7 )： 5 76 O XU J i a nj H B R e s e a r c h o n L O N N o d e B a s e d o n MC 1 4 3 1 5 0 N e u r o n C h i p a n d A T 8 9 S 5 1 Mi c r o c o n t r o l l e r lrE l e c t r i c a l Me a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 0 7， 4 4 ( 7 ) ： 5 7 6 0 2 杨帅 基于神经元芯片和单片机双处理器结构 的 L O N节点 的研 究 D 哈尔滨理工 大学 ， 硕士学位论文 2 0 0 7 YANG S h u a i Re s e a r c h o n LON No d e Us i n g Do u b l eCo n t r o l l e r S t r u c 。 t u r e B a s e d o n N e u r o n C h i p a n d Mi c r o c o n t r o l l e r D Ha r b i n u n i v e r s i t y o f s c ie n c e a n d t e c h n o l o g y， Ma s t e r De g r e e Th e s i s， 2 0 0 7 3 徐 建俊 基 于 L O N现场总线技术 的电力线收发器 P L T一2 2的设计 J 电力 自动化设备 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 0 81 1 1 XU J i a nj u nDe s i g n o f P o we r Li n e Tr a n s c e i v e r P L T 一2 2 Ba s e d o n L ON F i e l d b u s T e c h n o l o g y J E l e c t r i P o w e r A u t o ma t i o n E q u i p m e n t ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 0 81 1 1 4 成建生 采用并行接 口模式 的 L o n Wo r k s 监控系统的设计 J 矿 山 机械 2 0 1 0， 3 8 ( 1 2 ) ： 6 26 5 CHENG J i a ns h e n g De s i g n o n L o n Wo r k s Mo n i t o rin g No d e B a s e d o n P a r a l l e l I n t e r f a c e Mo d e J Mi n g& P r o c e s s i n g E q u i p me n t ，2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 6 2 6 5 5 毕敏娜 基于神经元芯片和 DS P的 L o n Wo r k s 控制器控制器并行通 信的实现 M 低压电器 ， 2 0 0 8 ， ( 8 )： 81 0 6 杨 帅 基于虚拟令牌传输协议 的 L o n Wo r k s监控 系统设计 J 低压 电器 2 0 1 0 ( 1 4) ： 4 54 8 YANG S b u a i De s i g n o n Lo n W o r k s Mo ni t o r i n g S y s t e m B a s e d o n Vi r t u a l T o k e n T r a n s m i s s i o n P r o t o c o l J L o w Vo l t a g e A p p a r a t u s ， 2 0 1 0 ( 1 4 ) ： 4 54 8 7E c h e l o n C o N e u r o n C P r o g r a m me r S G u i d ez E c h e l o n C o r p o r a t i o n， 1 9 9 5 8 王俊杰 现场总线与 L o n Wo r k s 技术 J 自动化仪表， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 7 ) ： 4 0 4 3 WA N G J u nj i e F i e l d b u s a n d L o n w o r k s T e c h n o l o gy J A u t o m a t i o n I n s t r u m e n t a t i o n ， 1 9 9 9， 2 0 ( 7 ) ： 4 O一4 3 作者简 介 成建生 ( 1 9 6 2一) ， 男 ， 大 学本 科 ， 从事 电气 自动 化 研 究。E m a i l ： h a c j s 1 6 3 e o m 杨 帅( 1 9 8 1一)， 男 ， 硕 士研 究生 ， 从 事机 电与 自动控制 研究 。 薛岚 ( 1 9 8 2一) ， 女 ， 硕士研 究生 ， 从事 控制工程 与控制 理论研究 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一O 1 0 6 ( 常会 敏编发 ) 一 8 9 一 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m