載波通信技術在接地電阻測試儀中的應用

朱傳林，王學良，余田野，李斐

（湖北省防雷中心湖北武漢430074）

在接地電阻測試中，測試儀表與防雷裝置接地測試點相距較遠，從幾十米到幾百米不等?，F(xiàn)場測試時，通常要通過對講機通話把測試數(shù)據(jù)傳到防雷裝置接地測試點，以便現(xiàn)場測試人員記錄防雷裝置的接地阻值。這種傳統(tǒng)的工作方式，在數(shù)據(jù)通信過程中效率低下。由于對講機或者人為因素可能會導致現(xiàn)場記錄人員聽到的數(shù)據(jù)不清晰，而反復讓儀表讀數(shù)人員報數(shù)。

再者，有些測試場所無法實現(xiàn)對講機通話，例如：對于一些高規(guī)格信息機房或專用屏蔽室，就無法通過對講機實現(xiàn)儀表讀數(shù)人員與現(xiàn)場測試人員的通信。為了較好地解決該問題，文中在接地電阻測試儀中利用載波通信技術，采用現(xiàn)有的接地測試線將設備測試出的數(shù)據(jù)通過耦合電路及調制解調技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程傳輸。

圖1 載波耦合電路模型

1 載波耦合電路

為了抑制地線工頻信號的干擾及接地電阻異頻測量信號的影響，載波耦合濾波電路采用高通濾波器形式，其中耦合線圈與安規(guī)電容組成LC高通濾波器，并且耦合線圈選用高導磁率線圈，變比為1:1，通過耦合線圈的二次變換，將載波信號傳遞到后級，TVS管主要起到保護作用，防止大地的高頻諧振電壓通過線圈耦合到信號處理級，損壞信號調制電路。

如圖1所示，載波耦合電路的關鍵物理量是電路模型中的兩個電流由基爾霍夫第二定律可得上述電路的數(shù)學表達式[1-6]：

式中，分別設i'、i''為i的一、二階導數(shù)，可得：

對式（1），不同的數(shù)學處理方法就得到不同的表達式。對式（1）求導，則得

由于式（2）有兩個未知量i1(t)、i2(t)的二階導數(shù)，直接求解存在困難。如果將模型中的RLC串聯(lián)回路表示為二元一階方程，則得到含有4個變量的一階方程組：

式（3）中含有 4個未知量i1(t)、i2(t)、uc1(t)、uc2(t)，給出初始儲能便得定解，如果無初始儲能，則是齊次初始條件。

2 發(fā)送有源濾波電路

如圖2所示，PA是ST7540芯片內部集成的小功率放大運算器?；谒梢栽诎l(fā)送端設置一個三階的有源濾波電路，組成的低通濾波電路和一個二階的Sallen-KEY。C33在該電路中用以過濾低頻信號，通過對R10、R9的設置，可以把信號的直流部分放大。這樣做就可以避免信號的失真，二階Sallen-KEY單元的傳遞函數(shù)公式（4）：

此電路截止頻率為：

圖2 發(fā)送有源電路

3 接收無源濾波電路

圖3所示為接收無源濾波電路，它是由一個并聯(lián)諧振電路構成的濾波電路。通過對電路中電感及電容的設置，可以濾除指定頻率外的干擾信號。此濾波電路的傳輸函數(shù)如下[7-13]：

表達式中的RL表示電感串聯(lián)在電路中時所產生的阻值。該電路的品質因素以及中心頻率的函數(shù)表達式如下：

由于在串聯(lián)電路中，電感的直流阻抗要遠遠小于電阻的阻抗，于是，對中心頻率的表達式進行化簡，可得式（6）：

而由上式可知，選頻特性取決于R17、RL。RL的值與共振頻率的波形越平緩程度成反相關；而R17的值與則選頻特性成正相關。

事實上，可以通過簡化公式（5）在中心頻率處的表達式進而分析RL和接收信號損耗的關系，可得表達式（7）：

由傳遞函數(shù)的模的表達式可知：通過增大Q的值可以保持較低的信號損耗。與此同時，這對電子器件偏差的靈敏度的要求也變得更高。

圖3 接收無源濾波電路

4 功率放大及控制電路

由于希望系統(tǒng)有較遠的通信距離，就必須要求模塊發(fā)送端有足夠大的功率輸出（圖4為功率放大電路），該電路的作用是把SSCout端的5 V TTL電平信號轉為具有更高電平的方波信號，再用濾波器對方波進行濾波，最后，輸出標準正弦波信號。需要說明的有以下幾點：

圖4 功率放大電路

1）電路要求TS5為20 V的肖特基穩(wěn)壓管，但在該電路中沒有利用其穩(wěn)壓特性，而是它的正向導通電壓低的特點，來保護P溝道的MOS管；

2）電阻R8在這里起到保護載波芯片的作用，因為載波芯片采用了MOSFET工藝，因而不采用驅動容性負載，因為該放大電路的輸入是容性的，所以串聯(lián)一個0.22 kΩ的電阻用以保護載波芯片；

3）US6M2內部有一個P溝道的MOS管和一個N溝道的MOS管，P溝道的耐流值為1 A，N溝道的耐流值為1.5 A，以有效確保整個載波電路的耐流值為1 A。

如圖5所示的功率控制電路。該電路的作用是：當12 V電源電壓被下拉至7 V左右的時，用來控制其輸出電流，確保12 V電源不至被拉低于6.5 V以下，進而保證整個電路系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，其最大的優(yōu)點是保證低電壓試驗可以工作。另外，可以調整R30的阻值來控制電流的輸出，從而起到既限壓又限流的作用。

圖5 功率控制電路

5 ST7540載波芯片工作模式

ST7540是ST公司研制的FSK電力線收發(fā)器，內置半雙工異步/同步通信的FSK調制解調器（結構如圖6所示）。該芯片廣泛應用于電力線載波通信系統(tǒng)，在現(xiàn)代智能電網的遠程數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮了重要作用[14-15]。

1）發(fā)送模式

當 RxTx 為“0”且 REG/DATA 為“0”時，ST7540芯片處于發(fā)送模式。考慮到土壤電阻率的差異，輔助接地極的阻抗有可能存在較大波動，芯片通過集電流與電壓控制電路以保障通信的可靠。在同步方式時，時序由芯片所選擇的波特率來決定，在CLR/T的上升沿觸發(fā)時刻，TXD上的數(shù)據(jù)將發(fā)至FSK調制器。在異步方式時，時序的管理由主機來決定，TXD上的數(shù)據(jù)會直接讀入到FSK調制器。而CLR/T的信號處于失效狀態(tài)。

2）接收模式

當RxTx為“1”且REG/DATA 為“0”時，該芯片處于接收模式。同步方式時，時鐘信號在PLL的上升沿時恢復。而后，F(xiàn)SK解調器中的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到接收端RXD上。在異步方式時，解調器中的數(shù)據(jù)則直接讀到接收端。而后，通訊時序恢復而CLR/T失效。在當前模式下，信號通過外圍的并聯(lián)諧振電路濾波后，從RX-IN端讀取到芯片，同時，系統(tǒng)將關閉發(fā)送電路（包括接口電路在內），用于降低功耗。信號的濾波可通過窄帶帶通濾波器進行，其幅度可通過片內自動增益電路調節(jié)。為了減小信道噪聲，在解調信號前應先將信號和片內正弦波發(fā)生器進行混頻，而后，再進行帶通濾波器濾波，最后再將信號解調出來。

圖6 ST7540芯片內部結構

6 結束語

本文基于電力載波遠程通信原理提出了一種遠程通信系統(tǒng)。首先介紹了該載波耦合電路的基本模型及設計結構，重點介紹了耦合電路、功率放大及控制電路濾波電路、放大電路、ST7540載波芯片等。

最后通過實際電路檢驗該遠程控制系統(tǒng)的性能指標。研究表明，該接口電路既有較高的載波信號加載效率，較好的幅頻特性，又能完全地隔離接地電阻測試儀的工頻信號，遠程通信系統(tǒng)性能指標能夠滿足實際需求。

[1]劉曉勝，胡永軍，張勝友.低壓配電網電力線載波通信與新技術[J].電氣應用，2006（2）：5，7．

[2]劉曉勝，張良，周巖，等.低壓電力線載波通信新型組網模型性能分析[J].電工技術學報，2012，27（11）：271-276．

[3]朱旭，唐顯錠，蔣紫東，等.基于電力線載波通信技術的LED路燈控制系統(tǒng)設計[J].照明工程學報，2012，23（2）：66-70．

[4]王君紅，劉寶，袁若權，等.基于電力載波通訊的遠程控制系統(tǒng)設計及應用[J].化工自動化及儀表，2009，36（1）：49-51．

[5]匡楊.基于現(xiàn)場總線的電力線載波通信系統(tǒng)的設計[D].武漢：武漢理工大學，2009．

[6]曾素瓊.基于復合耦合技術的低壓電力線載波通信接口電路設計[J].低壓電器，2010（20）：22-25.

[7]曾素瓊.嵌入式電力線載波通信模塊設計及其智能應用[J].計算機測量與控制，2012，27（11）：2294-2299．

[8]劉述鋼，劉宏立.低壓電力線載波通信的無源耦合電路設計[J].電子應用技術，2011，37（4）：98-101．

[9]汪明達.低壓電力線載波高速通信技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007．

[10]李建岐，陸陽，高鴻堅.基于信道認知在線可定義的電力線載波通信方法[J].中國電機工程學報，2015，35（20）：5235-5242．

[11]肖元強，曹敏，李川，等.基于PSO的低壓電力線載波通信阻抗自適應匹配[J].中國電力，2015，47（1）：133-136．

[12]何世彪，吳紅橋，王杰強.電力線載波通信定時同步算法及其FPGA實現(xiàn)[J].計算機應用，2011，31（11）：2918-2921．

[13]易平波，劉志英，田軍.基于ST7540的電力載波通信濾波器設計[J].通信技術，2010，43（4）：43-45．

[14]王作東.新型FSK電力線收發(fā)器ST7540及其應用[J].現(xiàn)代電子技術，2006，228（13）:56-61.

[15]向敏，王時賀，趙星宇.一種基于電力載波通信的路燈控制系統(tǒng)集中器的設計[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2013，25（2）：161-165．