基于MI200E的低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳穎曼,吳 琴

(南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044)

基于MI200E的低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳穎曼,吳 琴

(南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044)

為了進(jìn)一步提高電力線通信質(zhì)量,在討論低壓電力線載波通信信道性能的基礎(chǔ)上,分析了信道帶寬與信噪比的關(guān)系,論述了擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法,采用直接序列擴(kuò)頻載波技術(shù),設(shè)計(jì)了基于MI200E的低壓電力線載波通信系統(tǒng),該系統(tǒng)具有QPSK擴(kuò)頻調(diào)相、過零同步、分時(shí)傳輸、功耗低的特點(diǎn)。該系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下,通過MI200E及相應(yīng)接口電路,實(shí)現(xiàn)了信號耦合、濾波及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等功能,實(shí)際測試達(dá)到了良好的通信效果。

載波通信； 電力線； MI200E

電力線四通八達(dá),是世界上規(guī)模最大的網(wǎng)絡(luò)。電力線本身主要用于傳輸電能,而不是用于數(shù)據(jù)通信,作為通信信道并不理想。在380V/220V低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸,由于其載波傳輸特性不穩(wěn)定,它的阻抗特性和衰減隨電網(wǎng)負(fù)載的變化而變化,具有較強(qiáng)的時(shí)變性,因而很難給出一個(gè)準(zhǔn)確的信道模型[1]。除此之外,我國低壓電器產(chǎn)品的電磁兼容性能雖有測試標(biāo)準(zhǔn),但實(shí)施中常常不夠嚴(yán)格,造成電網(wǎng)對載波信號產(chǎn)生較大的干擾,使得低壓電力線的載波通信效果較差。隨著科技的進(jìn)步,特別是擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展和成熟,使在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)高速信息傳輸成為可能,可廣泛應(yīng)用于智能小區(qū)的監(jiān)測控制、工廠設(shè)備監(jiān)控、智能抄表、街景路燈控制、防盜等領(lǐng)域。

1 電力線載波通信原理

通信信道是制約通信性能的主要因素,低壓電力線信道的傳輸特性具有負(fù)載情況復(fù)雜、信號衰減大、噪聲干擾強(qiáng)、較強(qiáng)的時(shí)變性等特點(diǎn),對低壓電力線通信系統(tǒng)不好用一個(gè)通用的信道模型,只能針對主要的干擾因素進(jìn)行分析。

為了對抗惡劣的電力線信道對載波通信造成的影響,提高通信性能,需要采用多種信號處理技術(shù),比如信道編解碼、相干檢測和自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)等。擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力,對各類干擾均具有較強(qiáng)的抗干擾能力,其帶寬可以從幾十至幾百千赫,受干擾的頻率范圍所占比例相對較小,各種噪聲干擾只是對小部分要傳送的信號有影響,而大部分信號都能準(zhǔn)確無誤地到達(dá)接收端。因此,在低壓電力線通信中,擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用研究非常重要。

1.1 擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)是通過采用高速偽隨機(jī)序列去擴(kuò)展所傳輸信息的帶寬,然后進(jìn)行傳輸,在接收端采用與發(fā)送端相同的同步偽隨機(jī)序列進(jìn)行信號的相關(guān)解擴(kuò),并恢復(fù)所傳輸信息[2]。 在Shannon和Hartley信道容量定理中可以看出頻譜擴(kuò)展的作用，有

(1)

式(1)中:C是信道容量,單位為bit/s,它表示通信信道所允許的信息量,也表示了所希望得到的性能,它是在可接受的誤碼率下,理論上所允許的最大數(shù)據(jù)速率；W是要求的信道帶寬,單位是Hz；S/N是信噪比,表示周圍的環(huán)境或者物理特性。

理論上,對于任意給定的信噪比,只要增加用于傳輸信息的帶寬,就可以增加在信道中無誤差地傳輸?shù)男畔⑺俾省τ谝粋€(gè)給定的信道容量,可以通過增大信道帶寬,并相應(yīng)降低信噪比的方法達(dá)到；也可以通過減小信道帶寬,并相應(yīng)增大信噪比的辦法來實(shí)現(xiàn)。也就是說,可以利用信噪比與信道帶寬的互換,而使得信道容量保持不變。因此,對于差錯(cuò)率要求一定的情況,可以考慮采用較大的帶寬以換取對信噪比要求的提高。

對于惡劣的干擾環(huán)境,根據(jù)式(1),為了維持或提高通信的性能,需要提高信號帶寬,甚至于信號的功率可以低于噪聲基底。修改式(1)的對數(shù)底數(shù)可得

(2)

應(yīng)用級數(shù)展開:

(3)

其中x∈(-1,1]。

式(2)可近似為

C/W≈1.443×S/N

(4)

可進(jìn)一步簡化為

(5)

對于給定的信噪比,在信道中要無差錯(cuò)傳輸信息,僅僅需要提高傳輸?shù)膸?。這個(gè)原理比較簡單,但是,將基帶擴(kuò)頻的同時(shí),還要有相應(yīng)的解擴(kuò)處理,實(shí)現(xiàn)起來會(huì)非常復(fù)雜。

1.2 直接序列擴(kuò)頻方式

在低壓電力線擴(kuò)頻載波設(shè)備中,使用較多的是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。通過直接序列擴(kuò)頻載波,并采用短突發(fā)幀結(jié)構(gòu),可有效消除低壓電力線載波通道的脈沖干擾影響。對于載波通道衰減的時(shí)變性影響,可用自適應(yīng)均衡技術(shù)加以解決。對于載波通道的阻抗不穩(wěn)定問題,可用分集接收技術(shù)進(jìn)行處理。考慮到電力載波通道的使用情況和可能性,這種直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的信息傳送速率設(shè)計(jì)為2.4kbit/s。

在發(fā)送端,先要將傳送的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)或符號,與偽隨機(jī)碼(PN碼)進(jìn)行模2和運(yùn)算后形成復(fù)合碼,再用該復(fù)合碼去直接調(diào)制載波。擴(kuò)頻系統(tǒng)中一般采用平衡調(diào)制器,可以提高發(fā)送端的工作效率和發(fā)送功率,這種平衡調(diào)制方式還可以提高擴(kuò)頻信號的抗偵破能力。在接收端,用與發(fā)送端完全同步的PN碼對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)后,經(jīng)過解調(diào)器,可還原輸出原始數(shù)據(jù)信息。

擴(kuò)頻載波具有較強(qiáng)的抗脈沖噪聲的能力,即使接收端采用低品質(zhì)因素濾波器,也不會(huì)造成自干擾。

由通信原理可知,在幾種調(diào)制方式中,PSK(phaseshiftkeying)信號是最佳調(diào)制信號,在其他條件相同情況下,PSK誤碼率最小[3]。為節(jié)省發(fā)送功率和提高發(fā)送端的工作效率,通常使用抑制載波的雙向平衡調(diào)制。

2 系統(tǒng)方案

在電力線信道實(shí)際量測的基礎(chǔ)上,基于直接序列擴(kuò)頻載波技術(shù),并依據(jù)所采用的調(diào)制解調(diào)算法,設(shè)計(jì)了一個(gè)QPSK(quadraturephaseshiftkeying)四相相移鍵控信號調(diào)制方式的低壓電力線載波通信系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由載波設(shè)備、電力線和耦合設(shè)備幾個(gè)部分組成。原始信號經(jīng)發(fā)送端轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后進(jìn)行相應(yīng)處理,轉(zhuǎn)變成適合電力線傳輸?shù)妮d波信號,經(jīng)電力線傳輸,到達(dá)接收端的解調(diào)器,要經(jīng)過反向處理,得到還原后的原始信號。

系統(tǒng)框圖見圖1,主要由單片機(jī)主控模塊、載波通信模塊、信號耦合模塊、串口通信模塊、電壓耦合模塊及液晶顯示模塊組成。單片機(jī)控制載波通信模塊的收發(fā)模式,并將收發(fā)信息顯示在液晶模塊上?？刂齐娐冯娫礊?5V,由220V電壓經(jīng)電源變壓器變換所得。電路器件中的信號與220V電力線上的信號傳輸通過信號變壓器耦合實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過串口可與計(jì)算機(jī)通信,方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制功能[4]。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 MI200E芯片

考慮擴(kuò)頻技術(shù)、傳輸速率、載波頻率以及發(fā)送功率等因素,本系統(tǒng)選用彌亞微公司生產(chǎn)的MI200E型芯片,這是一款針對低壓電力線環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的高性能通信芯片,為QPSK擴(kuò)頻調(diào)相、過零同步、分時(shí)傳輸,且采取低功耗設(shè)計(jì)。在保證可靠的通信性能的情況下,由于其發(fā)送信號時(shí)的功率僅為0.4W,其EMI能夠滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

MI200E內(nèi)部集成了高效數(shù)字放大器、多階開關(guān)電容濾波器、CRC-16硬件校驗(yàn)等多種電路。采用半雙工調(diào)制解調(diào)方式,可工作于碼分多址 (CDMA)方式,能夠提供載波偵聽和有效幀指示信號,可方便地實(shí)現(xiàn)基于共享信道的網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議[5]。MI200E的特點(diǎn)是:可變擴(kuò)頻增益,適用于不同環(huán)境的傳輸速率；3種可選的載波頻率,8個(gè)可選的擴(kuò)頻碼；提供SPI接口等。

MI200E的性能參數(shù)如下:

電力線頻率范圍: 45～62.7Hz；3種可選的載波頻率,分別是57.6kHz、76.8kHz和115.2kHz,帶寬均為± 16kHz；通信速率為200bit/s～1.6kbit/s(220V/50Hz)；最小輸入信號信噪比≥-16dB。

由于MI200E采用的是復(fù)雜正交調(diào)制原理,應(yīng)用在信號衰減變化劇烈的電力線信道有極優(yōu)越的表現(xiàn),能夠有效地抵制相位和正交之間的關(guān)聯(lián)所帶來的消極影響。

4 硬件電路

硬件電路是通信原理實(shí)現(xiàn)的基本部分,使用的是STC89C58微處理器,內(nèi)部帶32K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器。由于本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù),且掉電不能丟失,故通過I2C總線,外掛了一個(gè)外部存儲(chǔ)器AT24C16,它可提供16Kbit的存儲(chǔ)空間,掉電后內(nèi)部數(shù)據(jù)不丟失,上電后可由單片機(jī)讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)[6]。

4.1 電力線載波通信原理圖

基于MI200E的通信模塊設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,圖2為基于MI200E的載波通信模塊原理圖。

圖2 MI200E通信模塊原理圖

MI200E的發(fā)送、接收均采用差分方式,通過信號耦合變壓器T1,在電力線上接收或發(fā)送信號。在T1的初級與次級,需各加一個(gè)TVS保護(hù)管,防止在線路上有高壓脈沖出現(xiàn)時(shí)損壞后端器件。T1采用19∶13的匝數(shù)比,MXO-2000材料。

MI200E發(fā)送信號時(shí),信號經(jīng)L4和C30組成的發(fā)送濾波電路被接到信號變壓器T1的一端,通過變壓器耦合到電力線上,同時(shí)單片機(jī)控制整流濾波電路NTJD4401的RX_TXn端為高電平,使NTJD4401不工作[7]；接收信號時(shí),電力線上的信號經(jīng)T1耦合,并通過由C27、C32、L2、R8組成的接收濾波電路送給MI200E進(jìn)行處理,同時(shí)單片機(jī)控制RX_TXn為低電平,使NTJD4401開始工作,濾除電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾。MI200E上的RST、SDI、SDO、SCK、CS引腳與單片機(jī)的P0口相連,用于SPI通信。

4.2 電源電路

MI200E 引腳的電源部分是數(shù)字電源DVDD、DGND,模擬電源AVDD 、AGND和功率地PGND。模擬電源和數(shù)字電源均使用單5 V供電,PGND和DGND采用一點(diǎn)接地,DGND和AGND經(jīng)過0歐姆電阻 (R37)連接,DVDD和 AVDD經(jīng)過磁珠(L7A)和退耦電容(C9與C35并聯(lián))形成的LC退耦電路連接[8]。

MI200E 有一個(gè)內(nèi)部參考電壓(Vref引腳),它的作用是產(chǎn)生一個(gè)AVDD/2的穩(wěn)定電壓,為芯片內(nèi)部的運(yùn)放提供電源。Vref需要經(jīng)過C10與C33并聯(lián)退耦到AGND,DVDD要加上一個(gè)濾波電容(C8)。功率電源(PVDD)和數(shù)字電源(DVDD)在芯片內(nèi)部分開,但在管腳上和數(shù)字電源綁定到一起。

考慮到MI200E具有較高的接收靈敏度,在設(shè)計(jì)電源電路時(shí),應(yīng)盡可能地降低電源紋波幅度,努力消除電源噪聲對通信效果的影響[9]。

4.3 發(fā)送-接收濾波器

MI200E的外圍發(fā)送濾波器由一級簡單的LC帶通濾波器組成。 根據(jù)所選的載波頻率,相應(yīng)地選取LC的參數(shù)。表1為在不同的載波頻率下相應(yīng)的LC參數(shù)值。應(yīng)注意的是:L4和L8選取內(nèi)阻小的型號,C30和C34應(yīng)選用誤差小于10%的聚酯或聚丙烯電容,因?yàn)樗鼈兙鶗?huì)對帶通濾波器的特性起到較大的影響。

表1 發(fā)送濾波電路參數(shù)

MI200E 的接收濾波電路由C32、C27、L2及R8幾個(gè)元件組成。對于不同的載波頻率,電路的元件參數(shù)也需做相應(yīng)的調(diào)整,以取得更好的接收效果。不同載波頻率的LC參數(shù)值見表2。

表2 接收濾波電路參數(shù)

4.4 硬件部分抗干擾措施

為了減少電路各個(gè)模塊相互之間的串?dāng)_,弱信號電路和強(qiáng)信號電路、數(shù)字電路和模擬電路等部分應(yīng)合理布局。對于外部數(shù)字信號接口電路部分,應(yīng)使用具有良好電磁兼容性能IC,同時(shí)對端口添加相應(yīng)的保護(hù)器件。濾波器的輸入和輸出端僅通過磁耦合方式傳遞信號。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件方面主要包括精確的通信信道建模、數(shù)字信號處理方法實(shí)時(shí)性的提高、調(diào)制解調(diào)方式和組網(wǎng)技術(shù)等方面內(nèi)容,包括主程序模塊、初始化模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊和接收數(shù)據(jù)模塊。

5.1 主程序模塊

主程序設(shè)計(jì)流程見圖3。初始化包含MI200E 的復(fù)位、低電平有效、自檢等內(nèi)容。在軟件中可以完成系統(tǒng)通信速率、載波頻率、收發(fā)模式等參數(shù)的設(shè)置。數(shù)據(jù)的收發(fā)采用中斷方式進(jìn)行,設(shè)定一個(gè)2 ms的中斷,用作對MI200E 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行查詢。

圖3 主程序流程圖

5.2 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

MI200E每隔10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送,為了能穩(wěn)定建立起數(shù)據(jù)通信,使用較低的速率,從Byte1—Byte4固定使用200 bit/s進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。起始的4個(gè)Byte 中包含引導(dǎo)碼、使用的波特率以及數(shù)據(jù)長度。在發(fā)送完這4個(gè)Byte后,用戶可通過重新配置模式寄存器來改變發(fā)送波特率。在使用1 600 bit/s的速率情況下,每隔10 ms將發(fā)送出1個(gè)Word(2 Bytes)的數(shù)據(jù)。由于Byte 4中pkg_length 占用了6個(gè)bits,因此每一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長度不應(yīng)超過64個(gè)Word(128 Bytes)。

在進(jìn)行pkg_length 的計(jì)算時(shí)單位為Word,除了用戶數(shù)據(jù)長度,還需要加上1個(gè)Word,即最后的CRC 16的校驗(yàn)結(jié)果[10]。在發(fā)送完引導(dǎo)碼(Byte1—Byte2)之后,應(yīng)對CRC 標(biāo)志寄存器清零。從Byte5—ByteN 的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行CRC 16 的校驗(yàn) (硬件自動(dòng)完成)。在發(fā)送完ByteN后,CPU需將CRC 16 的校驗(yàn)結(jié)果從MI200E 中讀出,并依次發(fā)送。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前,CPU都要對狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進(jìn)行查詢,只有該位 為“1”時(shí),才能將數(shù)據(jù)置入MI200E。

5.3 接收數(shù)據(jù)模塊

MI200E處在接收狀態(tài)時(shí),CPU需要反復(fù)查詢狀態(tài)寄存器的RI/Carr/Frame 標(biāo)志。當(dāng)這幾個(gè)標(biāo)志位被硬件置“1”后,先讀取接收模式寄存器(0x83),取出package信息(波特率與數(shù)據(jù)長度),將接收到的波特率信息寫入模式寄存器(使得收發(fā)兩端的波特率一致),然后按照取得的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行接收。每讀取一個(gè)Word 的數(shù)據(jù)前都需要查詢RI/Carr/Frame 標(biāo)志,只有在RI/Carr/Frame 都被硬件置“1”的情況下,再讀取MI200E 中的接收數(shù)據(jù)。

在讀取完包括CRC 校驗(yàn)結(jié)果的所有數(shù)據(jù)后,CPU查詢狀態(tài)寄存器(0x82)中的CRC 標(biāo)志,可以借此判斷是否已正確接收到了數(shù)據(jù)。

5.4 通信模塊特點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中,通信模塊有以下特點(diǎn):

(1) 使用時(shí)收發(fā)兩端的通信參數(shù)以及電力線相位必須一致,否則無法正常通信；

(2) MI200E 具有波特率自適應(yīng)功能(需要軟件配合),通信波特率由發(fā)送端決定；

(3) 由于MI200E 內(nèi)部集成了濾波器,有3組寄存器(0x10-0x15)用以對片內(nèi)濾波器進(jìn)行微調(diào)；

(4) MCU使用內(nèi)置式監(jiān)視定時(shí)器(看門狗),在軟件中應(yīng)合理設(shè)置監(jiān)視定時(shí)器溢出時(shí)間,使之能夠有效地監(jiān)測軟件運(yùn)行故障,用以在合理的較短時(shí)間內(nèi)從故障中恢復(fù)。用戶數(shù)據(jù)在整個(gè)上傳過程中均帶有一個(gè)校驗(yàn)字節(jié),可以讓PC軟件完成數(shù)據(jù)真實(shí)性和正確性的檢查[11]。

6 結(jié)束語

采用直接序列擴(kuò)頻載波技術(shù),基于MI200E的低壓電力線載波通信系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)低壓電力線載波通信。本系統(tǒng)通過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn),通信效果較好,發(fā)射功率低,符合歐美標(biāo)準(zhǔn),不會(huì)對電網(wǎng)造成污染。但是當(dāng)網(wǎng)內(nèi)大功率電器較多時(shí)通信質(zhì)量會(huì)下降,只能在100 m以內(nèi)通信。距離增大會(huì)使誤碼率升高,需要加裝中繼設(shè)備,通信性能有待進(jìn)一步提高。對于低壓電力線通信技術(shù)的進(jìn)一步研究,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù),更好地提高通信性能,無疑具有重要的意義。

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Design of low-voltage power line carrier communication based on MI200E

Chen Yingman,Wu Qin

(Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

The powerline communications technology has become a new field in the communication. In order to further improve the communication quality of power line,the low-voltage power line carrier communication channel performance is discussed,the relationship between the channel bandwidth and SNR is analyzed,the spread spectrum communication technology is expounded,the basic principle and implementation method,using the carrier technology of direct sequence spread spectrum,designs the power line carrier communication system based on MI200E with QPSK spread spectrum phase modulation,zero synchronization,time-transfer characteristics,and the low-power design has low power consumption. This system has realized signal coupling,filtering,and data transmission and reception functions,under the control of the microcontroller,through MI200E and peripheral circuits. The communication effect is good through the actual test.

carrier communication;power line； MI200E

2014- 06- 11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175033)

陳穎曼(1962—),男，江蘇溧陽,碩士，電氣工程師,研究方向?yàn)殡姎鈶?yīng)用技術(shù).

TN913.6

A

1002-4956(2015)1- 0070- 05