一種低電壓電力線載波呼叫對講系統(tǒng)的研究

周斌 劉濤 莫金旺

(桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 廣西 桂林 541004)

電力線載波通信是指用電力線作為傳輸介質(zhì)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳的一種通信方式。通常是把信息通過某種方式調(diào)制后再耦合到電力線上，在接收端再從電力線上耦合下來進(jìn)行濾波、解調(diào)等。前期人們已經(jīng)在這方面做了大量研究相關(guān)技術(shù)已相對成熟了。通常用于電力線載波電話、電力線自動抄表等方面。在中低速數(shù)據(jù)傳輸方面由于其成本廉，工程簡單因而得到了廣泛的應(yīng)用。

本研究是在電力線載波技術(shù)的基礎(chǔ)上用直流低壓電力線作為傳輸介質(zhì)，研制一種“多對一”的呼叫對講系統(tǒng)。此類系統(tǒng)對于大型工廠車間管理、醫(yī)院病房呼叫等方面有著很大的實用價值。目前在市面上呼叫系統(tǒng)種類繁多，基于有線網(wǎng)絡(luò)的，基于無線射頻的都有不同的產(chǎn)品。從產(chǎn)品功能上對比而言差異不大，從實用方面，性價比方面本研究有著很大的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)通信方式為“多對一”，一臺主機(jī)可拖帶128路分機(jī)。主機(jī)同時附有燈光提醒、和振鈴提醒。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各分部功能可參照圖1。

主機(jī)與分機(jī)之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和模擬話音的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸時使用半雙工通信方式，在話音傳輸時實現(xiàn)全雙工通信方式。

1.2 系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)由220V電壓經(jīng)變壓器后變?yōu)橹绷鹘y(tǒng)一供電，在系統(tǒng)的傳輸線上輸出14V供各分機(jī)平時待機(jī)或呼叫通話用電。主機(jī)與分機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，采用脈寬編碼調(diào)制方式利用7位二進(jìn)制碼作為分機(jī)地址碼進(jìn)行呼叫實別。利用LM567采用FM調(diào)制方式將分機(jī)話音信號調(diào)制到128KHz的載波上再耦合到電力線上。在接收端的主機(jī)進(jìn)行FM解調(diào)即可恢復(fù)話音。而主機(jī)到分機(jī)的模擬話音信號經(jīng)放大后直接耦合到系統(tǒng)電力線上。在電力線上，話音的傳輸由于在頻譜上互不影響，進(jìn)而實現(xiàn)了全雙工話音通信。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主機(jī)電路設(shè)計

主機(jī)部分主要包括MCU部分，雙音多頻部分，語音播放部分，顯示處理及驅(qū)動部分。如下圖2所示：

圖2 主機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用STC系列單片機(jī)STC12C5A60S2作為核心處理器，外圍與MT8870實現(xiàn)雙音多頻功能可連接普通話機(jī)，同時搭配WT588D08芯片完成語音及音樂播放功能，顯示部分采用BC7281B與74HC595、74HC164完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與驅(qū)動功能。

2.2 系統(tǒng)分機(jī)電路設(shè)計

由于考慮到系統(tǒng)功耗的問題，本設(shè)計選取低功耗的PIC系列單片機(jī)PIC12F508作為分機(jī)核心處理部分，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信及控制功能。用LM567作為語音調(diào)制芯片，將語音調(diào)制到128KHz再耦合到電力線上。具體設(shè)計如圖3所示。在平時待機(jī)狀態(tài)下，由穩(wěn)壓電路部分將電力線的14V穩(wěn)壓到5V供分機(jī)MCU工作，主機(jī)傳到分機(jī)的電平分為14V和7.8V，當(dāng)高電平來時經(jīng)由D8二極管4148鉗位到5V,當(dāng)?shù)碗娖絹頃r7.8V經(jīng)由6.2V穩(wěn)壓管后變?yōu)?.6V，由此轉(zhuǎn)為單片機(jī)可識別的電平后進(jìn)行解碼。在平時待機(jī)狀態(tài)下LM567是不工作的，當(dāng)由主機(jī)下發(fā)指令后由單片機(jī)解碼后，用I/0口GP1驅(qū)動三極管開關(guān)電路，將其接通后可進(jìn)行話音的調(diào)制。

圖3 分機(jī)電路

圖4 模擬控制電路的連接結(jié)構(gòu)

2.3 模擬控制電路的設(shè)計

模擬控制電路在本系統(tǒng)中起到連接主機(jī)和分機(jī)的作用，從模擬控制輸出的主干線為14V直流電，主機(jī)與分機(jī)的模擬信號及數(shù)字信號都是經(jīng)由模擬控制電路進(jìn)行傳輸。具體結(jié)構(gòu)可參照圖4。當(dāng)主機(jī)呼叫分機(jī)時由主機(jī)MCU輸出的TTL電平經(jīng)模擬控制板轉(zhuǎn)換后變?yōu)?4V與7.8V在電力線上傳輸，進(jìn)入分機(jī)后由分機(jī)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換變?yōu)镻IC單片機(jī)可識別的電平。當(dāng)分機(jī)呼叫主機(jī)時，由圖3中PIC12F508單片機(jī)的GP0口，將分機(jī)地址信號耦合到電力線上，在模擬控制板中，通過電壓比較器將電力線上跳變的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換后變?yōu)橹鳈C(jī)MCU可識別的電平進(jìn)行解碼。同時在設(shè)計模擬電路時，因為其承擔(dān)整個電力線上的電源供給，當(dāng)然要考慮電力線短路后系統(tǒng)的自動保護(hù)。當(dāng)電路短路后，電力線瞬間電流增大，在圖5中的比較器中，專門有監(jiān)測電流變化的單元，當(dāng)比較器輸出為高電平時，由MCU進(jìn)行處理，對模擬控制板的電力線輸出進(jìn)行切斷，且對當(dāng)前狀態(tài)實時查詢，直到電流恢復(fù)正常后再閉合電力線的輸出。

圖5 模擬控制電路參考圖

3 系統(tǒng)編碼調(diào)制原理

本系統(tǒng)的編碼方式是脈寬編碼調(diào)制。該方法是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種很有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信等領(lǐng)域。其優(yōu)點是調(diào)制的整個過程都是數(shù)字形式的，不要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以電平方式進(jìn)行傳輸可將噪聲影響降到最小。同時電路結(jié)構(gòu)簡單，可大大降低產(chǎn)品成本。

圖6 系統(tǒng)碼元定義

在主、分機(jī)通信過程中，二者的編碼方式可靈活設(shè)計。本系統(tǒng)中主機(jī)、分機(jī)各自發(fā)出的碼元如圖6所示。

由于碼元的定義是與脈沖寬度有關(guān)的，在各自的解碼過程中，只需要判斷脈寬即可。通信過程中，雙方總是呼叫“應(yīng)答式”，也就是在對方發(fā)出請求后接收方收到正確編碼后要返回應(yīng)答信號。所以二者編碼要區(qū)分開以降低自身收發(fā)引起的干擾。經(jīng)硬件電路驗證此編碼方式穩(wěn)定、誤碼率較低完全可以完成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié)論

按照本設(shè)計方法，整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時穩(wěn)定，話音清晰。用二線制電力載波方式構(gòu)建此呼叫系統(tǒng)具有實用、電路簡單、安裝方便等優(yōu)點。經(jīng)實際硬件電路測試主機(jī)與分機(jī)的通信距離大于700米。系統(tǒng)功耗較小，在連接128個分機(jī)狀態(tài)下，每個分機(jī)單獨待機(jī)時電流為0.26mA，當(dāng)主、分機(jī)接通時電路中電流為107mA。整個系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力和很高的可靠性能，可大量應(yīng)用于醫(yī)院病房呼叫，大型工廠車間管理等領(lǐng)域,有著廣闊的應(yīng)用前景。

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