以電力線作為載波信道的分布式單片機(jī)系統(tǒng)的通信方式分析

武德慶

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 鹽城 224051）

0 引言

單片機(jī)已經(jīng)成為了我們生活中不可缺少的一部分，你可以在我們生活的各個(gè)角落找到它的身影，在高科技領(lǐng)域，從宇宙航天裝置到國家的導(dǎo)彈武器裝置再到飛機(jī)的儀表控制裝置等；在生活中和我們密不可分的計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)到轎車的安全保障系統(tǒng)再到家庭用電器的數(shù)字控制等，這些都體現(xiàn)了我們在科技、生活、工作、學(xué)習(xí)中離不開單片機(jī)的應(yīng)用。

1 單片機(jī)的工作過程及分類

單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，功能靠不同的控制程序來具體實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)有了程序，就如同給它的“大腦”添加了“知識(shí)”，用已有的“知識(shí)”即程序來完成數(shù)據(jù)處理。按照單片機(jī)處理的字長，即每次能夠處理的二進(jìn)制的位數(shù)，有4位，8位，16位，32位單片機(jī)，它處理二進(jìn)制的位數(shù)越多，處理數(shù)據(jù)信息的速度越快，運(yùn)算的能力就越高。

2 編譯碼芯片簡介

本文選用了ED5026芯片和ED5027芯片做為系統(tǒng)的編碼器和解碼器。如圖1所示為ED5026外形引腳圖，如圖2所示為ED5027外形引腳圖，從圖中我們可以看出它們的應(yīng)用組合形成一個(gè)接收、發(fā)射數(shù)字信息的編譯碼系統(tǒng)。編碼器ED5026是一種8位編碼數(shù)字信息發(fā)射器。解碼器ED5027是專門用來接收數(shù)字信息的，它有相對應(yīng)ED5026編碼器的12位信息，這種集成電路應(yīng)用比較廣泛。ED5026編碼器的第1腳～第8腳，即A0～A7是電路芯片的地址線端口，它能夠形成256個(gè)地址碼信息，其中編碼器ED5026的第10腳～第13腳是此芯片的數(shù)據(jù)端口，即D0～D3。當(dāng)編碼器的第14腳，即TE使能端是低電平時(shí)，編碼器ED5026的第17腳，即OUT端口就會(huì)串行發(fā)出由A0～A7的地址信息和D0～D3的信息數(shù)據(jù)。ED5027是接收數(shù)字信息的譯碼器，它有相對應(yīng)ED5026編碼器的12位信息，A0～A7（第一腳～弟八腳）是地址線，當(dāng)編碼器ED5026發(fā)送出的地址編碼信息與解碼器ED5027的預(yù)置編碼信息相同的時(shí)候，也就是說解碼芯片ED5027的第一腳～第八腳，即A0～A7的地址線設(shè)定情況與解碼器ED5027的第14腳，即IN端口收到的地址信息和數(shù)據(jù)信息連續(xù)兩幀相同的時(shí)候，ED5027解碼器的第17腳，即VT輸出端口就會(huì)輸出一個(gè)由低變高的脈沖信號(hào)將發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息鎖存在第10腳～第13腳，即D0～D3上面，也就是說D0～D3有數(shù)據(jù)輸出，這個(gè)輸出的數(shù)據(jù)信息與ED5026編碼器的第10腳～第13腳，即D0～D3所置的數(shù)據(jù)信息相同。這樣我們就可以利用硬件之間的配合來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查找錯(cuò)誤并重新發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

圖1 ED5026外形引腳圖

圖2 ED5027外形引腳

3 發(fā)送、接收電路原理

3.1 主機(jī)的發(fā)送及接收電路

1）主機(jī)的發(fā)送電路

如圖3所示，為了能夠使主機(jī)能夠控制256個(gè)分機(jī)，主機(jī)需要有256個(gè)地址數(shù)據(jù)信息，具體做法如下：我們把主機(jī)編碼器ED5026第1腳～第8腳的地址數(shù)據(jù)線通過鎖碼器連接到單片機(jī)89C51地址數(shù)據(jù)端口32腳～39腳上，即P0.0～P0.7。將ED5026編碼器的10腳～13腳數(shù)據(jù)線D0～D3連接到74LS373鎖存器的2、5、6、9腳數(shù)據(jù)輸出端口，即Q1～Q3，然后將單片機(jī)89C51的第一腳～第四腳，即P1.0～P1.3數(shù)據(jù)線和74LS373鎖存器的第 3、4、7、8腳，即D0～D3輸入端口連接。這樣89C51單片機(jī)的第14腳，即P3.4端口來控制編碼器ED5026的使能端TE，當(dāng)它給編碼器ED5026使能端TE輸入低電平時(shí)，編碼器ED5026的第17腳，即OUT端口就會(huì)串行發(fā)出由A0～A7的地址信息和D0～D3的信息數(shù)據(jù)，這些地址信息和數(shù)據(jù)信息將通過電力線的接口反到電路調(diào)制解調(diào)，然后到電力線上面進(jìn)行傳送，傳輸。在軟件設(shè)計(jì)方面必須要先將地址及數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去，然后再讓ED5026的使能端TE為低電平，這樣就能防止還沒有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息發(fā)出，防止系統(tǒng)造成誤碼情況。

2）主機(jī)的接收電路原理

從圖3中也可看出主機(jī)是如何接收電路數(shù)據(jù)信息的，它是通過解碼器ED5027來具體執(zhí)行的，把解碼器ED5027的第一腳～第八腳，即A0～A7地址端口數(shù)據(jù)線連接成55H的固定地址，因此分機(jī)的發(fā)送編碼芯片的地址信息必須要與主機(jī)的解碼器的固定地址信息相同，主機(jī)解碼器ED5027的第17腳，即VT狀態(tài)輸出端口將會(huì)輸出一個(gè)由低變高的脈沖信號(hào)，將該信號(hào)反相后再送到單片機(jī)89C51的第12腳即P3.2的LNTO端口上，給89C51單片機(jī)提供中斷或查詢信號(hào)，以判斷是不是讀取鎖存器D0～D3的數(shù)據(jù)信息，有效的狀態(tài)輸出信號(hào)必須要輸出端VT發(fā)出信號(hào)的時(shí)候才能成功輸出，它與發(fā)送端口的使能端即TE相互對應(yīng)。如圖4所示為主機(jī)的接收發(fā)送程序框圖。

圖3 主機(jī)發(fā)送接收電路圖

圖4 主機(jī)接收發(fā)送程序框圖

圖5 分機(jī)接收發(fā)送電路圖

3.2 分機(jī)的發(fā)送及接收電路

1）分機(jī)的發(fā)送電路原理

如圖5所示為了分機(jī)的發(fā)送電路。分機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息從編碼器ED5026的第10腳～第13腳即D0～D3經(jīng)過單片機(jī)89C51第36腳～第39腳,即P0.0～P0.3的數(shù)據(jù)端口輸出，通過鎖存器74LS373鎖存等數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定過后，再由單片機(jī)89C51的第14腳即P3.4發(fā)出一個(gè)低電平來讓分機(jī)解碼器ED5026的第14腳即解碼器使能端TE有效，這樣數(shù)據(jù)信息就會(huì)在解碼器ED5026的第17腳，即OUT端口輸出。由于主機(jī)的接收數(shù)據(jù)信息的地址是55H，所以各個(gè)分機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的地址碼也是55H。

2）分機(jī)接收電路原理

從圖5中也可以看出分機(jī)的接收電路，主機(jī)發(fā)送過來的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC的傳輸送到分機(jī)解碼器ED5027的第14腳即輸入端口IN，分機(jī)地址信息由解碼器ED5027的第1腳～第8腳，即A0～A7地址端口外接一個(gè)8位的DIP開關(guān)，這樣就形成了256個(gè)不同的地址數(shù)據(jù)信息碼。當(dāng)主機(jī)發(fā)送的地址信息碼與分機(jī)發(fā)送的地址信息碼一致并且收到連續(xù)兩幀相同的地址信息的時(shí)侯，解碼器ED5027的第17腳即輸出端口VT就會(huì)輸出一個(gè)正的跳變脈沖，為分機(jī)提供數(shù)據(jù)信息的查詢或產(chǎn)生中斷數(shù)據(jù)信息。解碼器ED5027第10腳～第13腳即D0～D3讀取數(shù)據(jù)端口就會(huì)收到從主機(jī)發(fā)送過來的命令程序或數(shù)據(jù)信息。

4 電力線載波通訊電路低壓電力線載波通訊的基本原理

電力線載波通信的基本原理為：發(fā)送數(shù)據(jù)信息的時(shí)候，發(fā)送機(jī)會(huì)先將數(shù)據(jù)信息調(diào)制在一個(gè)高頻載，波然后再將其通過耦合器耦合到電力線上。耦合的信號(hào)不會(huì)對電力線路造成什么不良的影響，那是因?yàn)轳詈闲盘?hào)的電壓只有幾伏，它所載波的高頻信號(hào)也只有幾百千赫茲。接收機(jī)會(huì)把原數(shù)據(jù)信息通過電力線調(diào)制解調(diào)器從電力線路中分離出來，如圖6所示。

圖6 電力線載波通信的基本原理框圖

4.1 電力線調(diào)制解調(diào)器和電力線調(diào)制解調(diào)器芯片簡介

電力線調(diào)制解調(diào)器低壓的電力線并不是為通信而鋪設(shè)的，而是專門為了傳輸工頻電能為50Hz而鋪設(shè)安裝的，所以它的工作特性不能滿足載波通信的要求，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，數(shù)字信號(hào)傳輸距離有限，因?yàn)殡娏W(wǎng)路的組抗性以及線路電力的衰減性，所以它的信號(hào)傳輸距離有限。第二，信號(hào)質(zhì)量不能保證，因?yàn)殡娏€路會(huì)受噪音的干擾，所以信號(hào)的質(zhì)量并不能被保障。考慮到這兩方面的因素，為了能夠使信號(hào)的傳輸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定而高品質(zhì)的通信效果，所以在電力線調(diào)制解調(diào)器的芯片選擇上，我們經(jīng)過多方面的考慮及比較最終選擇了ST公司的芯片ST7536。芯片ST7536它共有28個(gè)引腳。芯片ST7536具有的工作模式就是發(fā)送模式和接收模式兩種，并且它還是一個(gè)半雙工以及同步的FSK MO-DEM。因?yàn)樾酒琒T7536的內(nèi)部應(yīng)用了硬件數(shù)字濾波技術(shù)，所以它能很好的遏制對通信頻帶以外的干擾，并且它還具有靈敏的接收數(shù)據(jù)的能力。

4.2 電力線接口電路

1）發(fā)送模式

在發(fā)送信息的模式下，芯片ST7536的第28腳即ATO數(shù)據(jù)端口處發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，然后被電力線的接口來放大和濾波。緩沖器的作用是用來驅(qū)動(dòng)電力線接口中的下一個(gè)電力元?dú)獠考?，并且起到芯片ST7536保鏢的作用來保護(hù)芯片。遏制諧波的主要工作是通過低通濾波器（LPF）來完成和實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)信息信號(hào)濾波后，把這些數(shù)據(jù)信息信號(hào)送入功率放大器，數(shù)據(jù)信號(hào)被放大后的功率通過轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)電阻為1～100歐姆的電力線。系統(tǒng)中通過放大器來進(jìn)行的頻段濾波來抑制二次諧波。

2）接收模式

在接收數(shù)據(jù)信息的模式下，變壓器通過電力線得到了數(shù)據(jù)信號(hào)，將這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)通過預(yù)放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)放大之后再傳送到芯片ST7536的第24腳即RAI接收輸入引腳。為了遏制和避免接收數(shù)據(jù)信號(hào)的衰減讓接收的數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度幾乎不變，因此在接收模式下關(guān)閉了功率的放大器和緩沖器使功率放大器不會(huì)低輸出阻抗。

5 結(jié)束語

通過利用編解碼電路的硬件查找錯(cuò)誤的能力以及可編性對電路系統(tǒng)的組裝進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理，用電力線作為載波信道的分布式單片機(jī)系統(tǒng)通信方式使得電路系統(tǒng)的各個(gè)性能更加強(qiáng)大，讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定、運(yùn)行的可靠性更高、遏制其他電路元器部件的電磁干擾能力和信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)目顾p性能更強(qiáng)，并且成本較低，機(jī)構(gòu)簡單。它的高效率低成本適應(yīng)了現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)的潮流。

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