擴(kuò)頻調(diào)制／解調(diào)電路ＳＣ１１２８在電力線載波中的應(yīng)用

曹海江　高沁翔

低壓電力線是為傳輸50Hz的工頻電能而鋪設(shè)的，是一種分布非常廣泛的線路資源。長(zhǎng)久以來，人們一直試圖通過它傳輸數(shù)據(jù)和語音信號(hào)。由于不是為通信鋪設(shè)的，故其特性往往較難直接滿足載波通信的要求。主要體現(xiàn)在兩方面：第一、電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性及其衰減制約了信號(hào)的傳輸距離，這與通信信道的物理長(zhǎng)度和低壓電網(wǎng)的阻抗匹配相關(guān)；第二、低壓電力線上的噪音干擾制約了信號(hào)的傳輸質(zhì)量，噪音干擾主要來自于低壓電網(wǎng)相連的負(fù)載，以及無線電的干擾。

在這樣惡劣的電力線通信環(huán)境下，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。而且，電力線通信的噪音和信號(hào)衰減是隨時(shí)間變化的，很難找到規(guī)律。使得載波信號(hào)難以在一個(gè)供電區(qū)域內(nèi)較好地傳輸，這樣就須選取合適的低壓電力線調(diào)制/解調(diào)芯片, 以解決利用低壓電力線進(jìn)行載波通信遇到的技術(shù)問題。

SC1128是面向電力線載波通信而開發(fā)研制的專用擴(kuò)頻調(diào)制／解調(diào)集成電路芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，因此該芯片應(yīng)用在電力線載波通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能，在小型多功能應(yīng)用系統(tǒng)中可以起到降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)功能的作用。

本文將介紹SC1128芯片的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能、主要的技術(shù)指標(biāo)，然后詳細(xì)分析由SC1128芯片構(gòu)建的低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，包括其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)及采用的抗干擾措施。

SC1128芯片介紹

SC1128是一款半雙工、同步的專用擴(kuò)頻調(diào)制／解調(diào)芯片，它采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，使該芯片應(yīng)用在電力線載波通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。片內(nèi)工作狀態(tài)寄存器可以控制芯片的通信速率和捕獲門限值。與微處理器接口采用I2C總線形式，進(jìn)行芯片的初始化設(shè)置，以及數(shù)據(jù)的讀寫操作。該芯片有44個(gè)引腳，采用OFP－44封裝形式，單＋5V工作電壓。

SC1128芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。差動(dòng)輸入信號(hào)放大單元可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前置放大，提高輸入信號(hào)的信噪比；擴(kuò)頻／解擴(kuò)單元采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，增強(qiáng)抗干擾能力，63位擴(kuò)頻碼，3種通信速率（6.0、3.0、1.5kbps）；調(diào)制／解調(diào)單元；D/A和A/D轉(zhuǎn)換單元方便進(jìn)行模擬、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換；輸出驅(qū)動(dòng)單元發(fā)射信號(hào)可采用兩種形式輸出，一種是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后正弦緩沖器輸出，可將諧波成份減少到最低限度，另一種以高壓開漏緩沖器輸出，這種形式的輸出具有應(yīng)用成本低的特點(diǎn)；內(nèi)置64× 8 SRAM存儲(chǔ)器（支持掉電工作）為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)暫存；內(nèi)置電子表電路（24小時(shí)制，支持掉電工作）；內(nèi)置看門狗電路，監(jiān)視系統(tǒng)程序的工作狀態(tài)；內(nèi)置電壓監(jiān)測(cè)器，監(jiān)視電源電壓的變化，并及時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；內(nèi)置串行半雙工同步傳輸通信接口,方便與微處理器之間的控制命令和數(shù)據(jù)交換。

SC1128的測(cè)量靈敏度為70μV，信號(hào)帶寬為59~535kHz，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為120dB。

在低壓電力線載波通信中的應(yīng)用

低壓電力線是一個(gè)隨參信道，也就是說線路上的各種參數(shù)，例如分布電容、分布電感、負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載阻抗值、噪聲等都是動(dòng)態(tài)的，而不是恒定的。負(fù)載的開關(guān)會(huì)引起電力線上阻抗的變動(dòng)，當(dāng)用電負(fù)荷很大時(shí)，阻抗會(huì)很小，甚至?xí)_(dá)到│Z│＜1Ω的地步，從而引起供電電流劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致在電力線的周圍產(chǎn)生電磁輻射，加重了低壓電網(wǎng)上本已很豐富的噪聲干擾。所以，沿電力線傳送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的技術(shù)難題。在這樣惡劣的電力線通信環(huán)境下，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。這就決定了設(shè)計(jì)一個(gè)電力線通信網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)制/解調(diào)方法、工作頻率、發(fā)送功率等都是不確定的。信道參數(shù)變化，通信效果也隨之變化，可通信距離也會(huì)變化。因此，根據(jù)具體的電力線通信環(huán)境，才能確定信號(hào)發(fā)送功率、使用的工作頻率等技術(shù)參數(shù)。而且，電力線載波限制在一個(gè)變壓器臺(tái)區(qū)范圍內(nèi)，無法跨越變壓器，電力線通信網(wǎng)絡(luò)以一個(gè)變壓器臺(tái)區(qū)為一個(gè)集中通訊單元。只有配上中繼器，數(shù)據(jù)傳輸才能通過變壓器，進(jìn)入下一個(gè)變壓器臺(tái)區(qū)。

擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這祥，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。

直接序列擴(kuò)頻通信就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜；在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。SC1128芯片就是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)，可以解決利用低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)遇到的技術(shù)問題。

圖2為電力線通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)集中通信單元框圖，其中采用SC1128芯片構(gòu)建電力線接口。包括采集器、電力線接口模塊、上位機(jī)。數(shù)據(jù)和命令可在上位機(jī)之間、上位機(jī)與采集器之間進(jìn)行傳輸。

采集器 采集器是低壓電力線載波通信的控制前端，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)。其主要功能是根據(jù)主控節(jié)點(diǎn)的指令，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作和數(shù)據(jù)采集，并把采集到的數(shù)據(jù)和控制命令反饋信號(hào)回送到主控節(jié)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示。主要芯片采用AT89C2051，該芯片采用ATMEL高密度、非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，片內(nèi)集成2K字FLASH ROM，是低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供性價(jià)比高的解決方案。

其中，數(shù)據(jù)采集及控制模塊主要完成上位機(jī)的控制指令和數(shù)據(jù)采集，為了保證采集器的可靠性，有必要在數(shù)據(jù)采集及控制模塊中采用光電隔離器件，把監(jiān)控對(duì)象和監(jiān)測(cè)電路進(jìn)行電氣隔離；串口通信模塊主要完成采集器與電力線接口模塊的數(shù)據(jù)和指令的交換，采用MAX485芯片，通過一對(duì)雙絞線可實(shí)現(xiàn)與半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2.5Mbps，總線可掛接32個(gè)采集器；為增強(qiáng)采集器運(yùn)行可靠性，設(shè)置看門狗電路，采用MAX813L芯片。

電力線接口模塊 電力線接口模塊的主要任務(wù)分為兩方面：第一方面為與上位機(jī)的通信，負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收命令和數(shù)據(jù)，再發(fā)送到電力線上，并從電力線上接收的數(shù)據(jù)再傳送到上位機(jī)；第二方面為與采集器的通信，負(fù)責(zé)從電力線上接收命令，傳送到采集器，并把采集器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往電力線。圖4為由SC1128組成的電力線接口模塊框圖。其中，微處理器采用AT89C52,該芯片片內(nèi)集成8K字節(jié)閃存，可存放系統(tǒng)工作的程序。由于AT89C52具有外部空間引腳，可外接足夠空間的非遺失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器HK1255以存放上位機(jī)下達(dá)的控制命令和采集器上傳的數(shù)據(jù)。HK1255為512K字節(jié)的非遺失SARAM，具有掉電保護(hù)功能，可防止意外導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

串口通信模塊主要完成采集器、上位機(jī)與電力線接口模塊的數(shù)據(jù)和指令的交換，采用MAX485芯片。

由于SC1128芯片具有內(nèi)置的看門狗電路、電子表電路、電源電壓檢測(cè)電路以及時(shí)鐘電路，可簡(jiǎn)化電力線載波接口模塊的硬件設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本，提高運(yùn)行可靠性。

微處理器AT89C52與SC1128芯片的引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

其中，AT89C52通過口線P1.0、P1.1、P1.2分別對(duì)應(yīng)SC1128的CS（設(shè)置片選輸入端）、SETCLK（同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端）、LINE（設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入/輸出端），以I2C總線形式完成對(duì)SC1128的初始化，以及在通信過程中根據(jù)通信環(huán)境的實(shí)際情況選擇不同的捕獲門限值及通信速率值，以達(dá)到比較好的通信效果。微處理器AT89C52對(duì)SC1128芯片發(fā)射或接收數(shù)據(jù)通過口線P1.3、P3.2、P1.4，分別對(duì)應(yīng)SC1128的SR（發(fā)射／接收控制端）、SYN（發(fā)射／接收同步脈沖端）、TX（發(fā)射／接收數(shù)據(jù)端），與SC1128芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收及發(fā)送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)，以完成上位機(jī)和采集器之間的通信任務(wù)。

輸入濾波及片外放大模塊把載波信號(hào)從高壓耦合變壓器耦合進(jìn)來的較寬頻帶的信號(hào)中，按特定的帶寬范圍提取出來，經(jīng)前置放大級(jí)后送入SC1128芯片進(jìn)行處理。輸出功放模塊把調(diào)制好的載波信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后通過高壓耦合變壓器耦合到電力線上。

耦合變壓器的作用是將已調(diào)制信號(hào)耦合到電力線上，并接收電力線上的數(shù)據(jù)，因此，需要較高的靈敏度和選頻能力。耦合變壓器結(jié)構(gòu)如圖6所示，為提高電力線載波通信的可靠性，采用電力線三相耦合。從圖6可看出，是用繼電器開關(guān)實(shí)現(xiàn)半雙工的通道隔離，信號(hào)輸入端處于常閉狀態(tài)，也就是說電力線接口模塊處于接收狀態(tài)，時(shí)刻監(jiān)視電力線上所傳輸?shù)拿罴皵?shù)據(jù)。當(dāng)?shù)刂反a比較相同時(shí)，電力線接口模塊正式開始發(fā)送或接收命令和數(shù)據(jù)。通過口線P1.7控制電力線接口模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，可降低能耗。防止過電壓對(duì)電力線接口模塊的沖擊影響，增加了壓敏電阻。

上位機(jī) 可采用高性能的工控機(jī)作上位機(jī)，以提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。安裝上位機(jī)管理程序，可增強(qiáng)管理通信網(wǎng)絡(luò)的能力。

軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要分為采集器部分、電力線接口模塊部分以及上位機(jī)的管理程序。下面針對(duì)電力線接口模塊部分的軟件介紹設(shè)計(jì)思路和主程序流程圖。

該軟件遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，力求主程序結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便。同時(shí)各個(gè)功能模塊要嚴(yán)格封裝，之間避免相互干擾。電力線接口模塊主程序除了要完成系統(tǒng)初始化、SC1128的初始化設(shè)置、看門狗復(fù)位等任務(wù)外，主要完成從電力線循環(huán)采樣信號(hào)，并進(jìn)行地址碼的比較，對(duì)接收的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行識(shí)別，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理子程序，流程框圖如圖7 所示。串行口中斷服務(wù)程序根據(jù)與其通信的對(duì)象不同而不同：當(dāng)與上位機(jī)相連通信時(shí)，主要負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收命令，并把通過SC1128芯片從電力線接收的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)；當(dāng)與采集器相連通信時(shí)，主要負(fù)責(zé)把通過SC1128從電力線上接受的命令傳送到采集器，并把采集器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上。串行口中斷服務(wù)程序?qū)ζ浣邮栈虬l(fā)送的數(shù)據(jù)和命令都要進(jìn)行CRC循環(huán)校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)和命令的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)抗干擾措施

通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸精度的要求是相當(dāng)高的，尤其是電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)大的情況下，輕者會(huì)造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，重者會(huì)造成整個(gè)數(shù)據(jù)丟失。因此，抗干擾能力是非常重要的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要采用以下措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力：1、芯片內(nèi)部及外部的看門狗電路，防止單片機(jī)死機(jī)；2、用軟件陷阱，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)，則通過無條件轉(zhuǎn)移指令，強(qiáng)制程序返回；3、用高性能的掉電保護(hù)的RAM芯片，防止數(shù)據(jù)傳輸過程中受到干擾或因意外導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；4、軟件中對(duì)脈沖的邊沿抖動(dòng)進(jìn)行處理，防止因“毛刺”現(xiàn)象引起的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)及命令進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

結(jié)束語

SC1128采用直接序列擴(kuò)展頻率調(diào)制/解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線載波通信，應(yīng)用先進(jìn)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮、相關(guān)判決、糾錯(cuò)編碼等數(shù)字處理技術(shù)，極大地提高了數(shù)據(jù)交換的可靠性和準(zhǔn)確性。在噪聲很大的情況下，即使P/N<1的情況下依然可以正常通信。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中，SC1128工作高效而穩(wěn)定，較好地解決了利用低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)遇到的技術(shù)問題。低壓電力線作為一種新的通信載體，將在未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面發(fā)揮出不可替代的作用。