電力載波在輕工業(yè)生產(chǎn)線上的一種新型應(yīng)用方法

陳昌虎，張 儒 ，洪 超

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 機(jī)電系，景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

電力線載波在電力系統(tǒng)中利用牢固可靠的高壓、低壓電力線作為信號的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設(shè)投資，因此，電力網(wǎng)在國外被傳媒喻為“未被挖掘的金山”。目前在利用電力線進(jìn)行通信的產(chǎn)品中，主要使用窄帶通信方式和擴(kuò)頻通信方式。窄帶通信方式價(jià)格低廉且較為容易實(shí)現(xiàn)。

本課題采用了一種基于TI公司C5000系列DSP中的TMS320C542的電力線載波通信系統(tǒng)用以解決智能生產(chǎn)線等綜合性系統(tǒng)工程中的局域網(wǎng)內(nèi)部通訊問題，該系統(tǒng)以TMS320C542為控制核心，以PL2101電力線載波通訊芯片為基礎(chǔ)，輔以外圍接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于TMS320C542的設(shè)計(jì)

本文以TMS320C542為例，構(gòu)成一種快速輕工產(chǎn)品生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

C5000系列特點(diǎn)如下：

1）改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，包含一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線

2）高度并行的CPU和針對應(yīng)用優(yōu)化的硬件

3）針對算法和高級語言優(yōu)化的指令集

4）先進(jìn)的IC技術(shù)使其既高性能又低功耗

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以DSP為中心，帶有64K程序RAM，64K數(shù)據(jù)RAM，并通過16K×16的FIFO將數(shù)據(jù)送到DA，16K×16的FIFO將AD采集的數(shù)據(jù)送到DSP。與主機(jī)通過HPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對SRAM、FIFO、AD、DA的控制，DSP所需各種狀態(tài)信息的獲取，以及與主機(jī)的其它一些聯(lián)系，都通過CPLDA和CPLDB來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過實(shí)際測試，運(yùn)行速度為40MPIS，程序和數(shù)據(jù)存儲器、所有I/O口都能全速運(yùn)行，工作穩(wěn)定可靠。由于系統(tǒng)工作于較高的頻率下（CPU為40MHz，外圍設(shè)備一般為20MHz，最高為40MHz），因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須注意高頻影響。

C5000系列DSP的編程工具，有C語言和匯編語言兩種，但C語言，使用起來比記憶指令集方便很多。實(shí)際應(yīng)用中，采用C和匯編混合編程，混合編程的方法，經(jīng)查閱C5000系列DSP的手冊得到。

通過將可能需要的各種控制和狀態(tài)信號引入CPLD，并利用CPLD的大容量和現(xiàn)場可編程性，可根據(jù)不同的要求進(jìn)行現(xiàn)場修改，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功率更大，并且有很大的靈活性。其中CPLD采用EPM7128E。

1 基于PL2101的電力載波控制系統(tǒng)

PL2101 是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。它僅由單一的 +5V 電源供電，以及一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合。PL2101除具備基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置了五種常用的功能電路：實(shí)時(shí)鐘電路，32 Bytes SRAM，電壓監(jiān)測，看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 接口與外部的微處理器相聯(lián)，其中實(shí)時(shí)鐘與32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。

PL2101 是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字/模擬混合 0.5μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價(jià)格比等方面有著出眾的表現(xiàn)。

電力線載波通信的數(shù)據(jù)信號通過載波通信設(shè)備，經(jīng)過調(diào)制和功率放大后，由信號耦合網(wǎng)絡(luò)加載到電力網(wǎng)上，而在電力網(wǎng)的另一端，同樣通過信號耦合網(wǎng)絡(luò)將電力網(wǎng)上的調(diào)制信號送到相應(yīng)的載波通信設(shè)備，經(jīng)解調(diào)后復(fù)原。數(shù)據(jù)信號經(jīng)過調(diào)制在輸電線路上，載波通道的衰減特性類似于架空明線，既頻率越高其衰減越大，因而傳輸頻段一般選在40-500kHz范圍內(nèi)（即為中頻段），電力線與端口通過電力接口連接。

2 控制系統(tǒng)工作原理及電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

主從式結(jié)構(gòu)的DSP多機(jī)電力線載波通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中主機(jī)和所有從機(jī)都通過調(diào)制解調(diào)器PL2101和電力線相連。為簡化電路，降低成本，提高可靠性，本系統(tǒng)以目前廣泛應(yīng)用的TMS320C542作為主控制器。除了主控制器TMS320C542之外，系統(tǒng)組成還有電力線載波芯片PL2101、220V電力線傳輸通道和并接在電力線上的機(jī)電設(shè)備（攝象頭、產(chǎn)品傳遞設(shè)備、產(chǎn)品制造設(shè)備等）在主控制器（主機(jī)TMS320C542）端，控制信號經(jīng)電力線Modem調(diào)制為100KHz以上的高頻調(diào)制信號，通過電力線接口電路送入220V交流電力線。在接收機(jī)端，電力線上各種頻率信號通過隔離耦合電路進(jìn)入接收機(jī)，由選頻放大電路僅選出發(fā)送機(jī)送來的高頻信號，濾掉其它頻率的信號。過濾后的高頻信號再由電力線MODEM解調(diào)出原始的數(shù)字信號，對電器的開關(guān)量進(jìn)行定時(shí)控制。現(xiàn)代化工業(yè)高速信息設(shè)備大都采用DSP控制，只要將受控設(shè)備的CPU的RXD和TXD端與PL2101相連，并通過PL2101及高壓耦合電容等與兩根電源連接即可實(shí)現(xiàn)電力載波遠(yuǎn)程控制。對于未采用CPU或所用CPU不具備通信功能的電氣設(shè)備，用一塊通用的TMS320C542與PL2101相連可實(shí)現(xiàn)上述遠(yuǎn)程控制功能。

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)用電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)經(jīng)過改造可以應(yīng)用于公共信號信息傳遞方面。硬件改制起來非常方便，當(dāng)然還需要對軟件稍作改動(dòng)，方可實(shí)現(xiàn)由一個(gè)主控DSP的PC機(jī)集中控制的工業(yè)用主從式控制系統(tǒng)。

圖1 DSP多機(jī)電力線載波通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 頻段選擇

電力線載波的數(shù)據(jù)信號通過載波通信設(shè)備，經(jīng)過調(diào)制和功率放大后，由信號耦合網(wǎng)絡(luò)加載到電力網(wǎng)上，而在電力網(wǎng)的另一端，同樣通過信號耦合網(wǎng)絡(luò)將電力網(wǎng)上的調(diào)制信號送到相應(yīng)的載波通信設(shè)備，經(jīng)解調(diào)后復(fù)原。數(shù)據(jù)信號經(jīng)過調(diào)制在輸電線路上，載波通道的衰減特性類似于架空明線，既頻率越高其衰減越大，因而傳輸頻段一般選在40-500kHz范圍內(nèi)（即為中頻段），電力線與端口通過電力接口連接。

2.3 集散式框架設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)代工業(yè)信息處理大都采用DSP控制,改制起來非常方便，只要將控制的DSP系統(tǒng)的CPU的RXD及TXD端與PL2101相連,并通過LM1893及高壓耦合電容等與兩根電源連接即可。未采用CPU或所用CPU不具通信功能的設(shè)備，用一塊通用的DSP（如TMS320C542等）取代其控制功能也可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然還需要對軟件稍作改動(dòng),方可實(shí)現(xiàn)由一個(gè)主控DSP或PC機(jī)集中控制的設(shè)備集散控制系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本論文討論了對工廠輕工產(chǎn)品生產(chǎn)線上的控制信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)反饋信息、診斷信息進(jìn)行傳輸?shù)南冗M(jìn)方法，即利用電力線載波通訊方式來傳輸輕工產(chǎn)品生產(chǎn)過程的各種所需信息。

由于電力線隨處可見，所以只要在該單位設(shè)置一臺電力載波控制器，然后利用電力線來傳送生產(chǎn)線的產(chǎn)品現(xiàn)場信息。本系統(tǒng)已在一家工廠生產(chǎn)線上試用，效果良好，現(xiàn)正準(zhǔn)備投放市場。

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