摘 要： PL3105是為智能控制設(shè)計(jì)的電力線(xiàn)通信專(zhuān)用芯片，具有8051指令兼容的高速微處理器、直序擴(kuò)頻的載波通信等強(qiáng)大功能。介紹了PL3105的主要特點(diǎn)及其載波通信原理，分析針對(duì)載波通信應(yīng)用的硬件、軟件設(shè)計(jì)方法。
    關(guān)鍵詞： PL3105；直接序列擴(kuò)頻通信；載波通信 

　　電力線(xiàn)載波通信PLC(Power Line Communication)是指利用高壓電力線(xiàn)(35 kV及以上電壓等級(jí))、中壓電力線(xiàn)(10 kV電壓等級(jí))、低壓配電線(xiàn)(380/220 V用戶(hù)線(xiàn))作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。電力載波通信以電力線(xiàn)路為傳輸通道，具有通道可靠性高、投資少、見(jiàn)效快，與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前通信研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。電力線(xiàn)載波通信芯片是電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)的核心，PL3105是為智能儀表應(yīng)用設(shè)計(jì)產(chǎn)品，它除了具有功能強(qiáng)大的微處理器外，在高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及電力線(xiàn)載波通信方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，它內(nèi)嵌的直擴(kuò)單元是專(zhuān)門(mén)針對(duì)我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)惡劣的信道環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)，具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的數(shù)據(jù)通信速率和更大的軟件可配置靈活性。
1 低壓電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1.1 PL3105載波通信原理
　　PL3105載波通信原理如圖1所示，數(shù)據(jù)由主機(jī)A(或主機(jī)B)的串口RS-232發(fā)出，通過(guò)PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送入PL3105。在PL3105中，先由擴(kuò)展串口UART(通用異步收發(fā)器)接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)120 kHz的載波頻率調(diào)制后輸出。此信號(hào)通過(guò)電力線(xiàn)接口電路進(jìn)行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)載波通信。在接收端，經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)接口電路將電力線(xiàn)上的信號(hào)耦合出來(lái)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波限幅。限幅后的信號(hào)送入PL3105進(jìn)行捕獲、同步及解擴(kuò)處理，經(jīng)由內(nèi)嵌8051處理，由PL3105的UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，經(jīng)PC的RS-232接口送到主機(jī)B(或主機(jī)A)。

    PL3105內(nèi)部集成了PL2101電力線(xiàn)載波通信模塊，載波通信的擴(kuò)頻解擴(kuò)工作完全由PL3105內(nèi)部的硬件電路實(shí)現(xiàn)。載波通信采用直接序列擴(kuò)頻的DPSK調(diào)制解調(diào)方式：將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到較寬的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機(jī)序列來(lái)進(jìn)行同步接收，恢復(fù)信息。接收的過(guò)程包括載波信號(hào)的捕獲和同步。捕獲和同步過(guò)程由載波通信控制單元的硬件電路自動(dòng)完成。
    在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)PL3105可分別作為中心控制器和智能節(jié)點(diǎn)，一方與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，另一方與各電器(或其它需要控制的設(shè)備)相連，控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。
1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)硬件包括主控芯片PL3105電路、載波數(shù)據(jù)收發(fā)電路、串口通信電路及電源電路。
    PL3105電路主要為晶振、陶瓷濾波等電路，根據(jù)芯片資料即可連接。
    串口通信電路采用RS－232連接方式，采用美信公司生產(chǎn)的專(zhuān)用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202芯片。
    電源電路提供+12 V，+5 V電源，電源取自普通電力插座，為220 V/50 Hz工頻交流電，由電源變壓器引入，在電源變壓器的二次側(cè)可獲得+12 V的電壓。濾波電容的輸出端接+5 V的三端穩(wěn)壓器7805，再經(jīng)過(guò)濾波電容即可得到單片機(jī)和PL3105所需的工作電源(芯片供電電壓為5 V)。
    載波數(shù)據(jù)收發(fā)電路包括功率放大電路、整形濾波電路、耦合電路及接收電路。
    典型的載波發(fā)射電路如圖2所示，典型的載波接收電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 通信協(xié)議
    在電力載波通信的過(guò)程中，因?yàn)橥ㄐ欧绞綖榘腚p工方式，所以一定要有包含控制機(jī)制的傳輸協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在本文所討論的通信協(xié)議主要任務(wù)是維持調(diào)制解調(diào)器和PC機(jī)之間的通信，采用幀傳輸?shù)姆绞?，即所有的?shù)據(jù)和命令都是以幀的形式出現(xiàn)。
    (1)通信接口
    接口標(biāo)準(zhǔn)：PC機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間采用RS-232C通信接口，由于RS-232與TTL邏輯電平不同，因此采用MAX232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。
    接線(xiàn)方式：三線(xiàn)制工作方式，使用DB9型RS232C接口的第2腳-TXD，第3腳-RXD，第5腳-GND。
    工作方式：半雙工，PL3105只能進(jìn)行半雙工操作，不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。
    通信格式：串行異步方式1，即標(biāo)準(zhǔn)的異步通信方式，每幀包括10個(gè)數(shù)據(jù)，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。
    通信速率：2 400 b/s。
    (2)報(bào)文格式
    其幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)下表，并具體描述如下：
    同步字符為四個(gè)字節(jié)的0FFH，是為了縮短PL3105在接收擴(kuò)頻載波信號(hào)時(shí)捕獲同步的時(shí)間而設(shè)定的特殊字符。
    同步幀頭包括兩個(gè)字節(jié)：09H和AFH。連續(xù)接收到這兩個(gè)特定字符即表示接收系統(tǒng)在硬件已經(jīng)獲得同步，其后接收到的數(shù)據(jù)即為有效信號(hào)數(shù)據(jù)。
    命令字是表征通信雙方控制與響應(yīng)的特殊字符。在復(fù)雜的系統(tǒng)中應(yīng)用，如在通信長(zhǎng)度受限而采用中繼發(fā)送時(shí)和一發(fā)多收系統(tǒng)中，都可以在此處設(shè)置地址編碼和相應(yīng)命令。電力載波終端將在這里設(shè)置一個(gè)字節(jié)的地址編碼，若接收機(jī)收到的地址字節(jié)與本機(jī)的相同時(shí)，則向載波終端發(fā)送出接收到的數(shù)據(jù)體；若接收到的地址字節(jié)與本機(jī)的地址不符，則不做任何響應(yīng)。
    數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Length為一個(gè)字節(jié)，表示載波發(fā)送和要接收到的有效數(shù)據(jù)體(Data Body)字節(jié)長(zhǎng)度。
    校驗(yàn)碼采用冗余校驗(yàn)碼(CRC)，對(duì)同步幀頭之后和校驗(yàn)碼之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余校驗(yàn)。
    幀尾用特殊字節(jié)AAH表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)
    載波通信為總線(xiàn)方式通信，所以載波模塊的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)，不同的載波模塊必須分配不同的通信地址。模塊接收到校驗(yàn)正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答。由于載波通信速率(500 b/s或250 b/s)相對(duì)于系統(tǒng)CPU主頻(4.8 MHz)低很多，為提高CPU效率，接收和發(fā)送一般均設(shè)計(jì)為外部中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對(duì)1位數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送處理。
    主程序流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
    在完成硬件電路設(shè)計(jì)、電路板加工、通信協(xié)議的制訂及軟件總體設(shè)計(jì)、編程后，只有通過(guò)測(cè)試才能證明它是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。測(cè)試工作按從模塊到整體的思路逐步進(jìn)行。將首先測(cè)試各個(gè)模塊電路性能，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特性進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而分析該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。
    實(shí)驗(yàn)過(guò)程：利用北京福星曉程公司提供的演示軟件，通過(guò)PC機(jī)1發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給實(shí)驗(yàn)板1，載波通信模塊將數(shù)據(jù)調(diào)制擴(kuò)頻后耦合到電力線(xiàn)上，實(shí)驗(yàn)板2上的載波通信模塊進(jìn)行信號(hào)接收，通過(guò)RS232口上傳給PC機(jī)2，PC機(jī)2反饋一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，PC機(jī)1接到反饋的數(shù)據(jù)，如果接收的數(shù)據(jù)跟期望收到的數(shù)據(jù)一致，則判定為這次通信成功，否則失敗。
    經(jīng)測(cè)試，通信成功率達(dá)到98%以上，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常的通信功能。實(shí)驗(yàn)證明，利用PL3105在低壓電力網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)，能在很大程度上克服電力線(xiàn)的強(qiáng)衰減、強(qiáng)干擾的缺陷，整個(gè)系統(tǒng)可靠性較高，電路模塊工作穩(wěn)定，是一個(gè)較佳的選擇方案。

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