电力线载波通信模块的设计

2004年4月的版本

摘要: 给出了两总线通信模块的设计方案，并介绍了电力线接口设计中涉及的相关电路以及该通信模块的两总线接口电路.

关键字: 电力线载波；两辆公共汽车；数据收集器

简介

智能家居要求家用电器通过网络（总线）互连和互操作. 总线协议是系统的本质. 目前，国际上占主导地位的家庭网络标准是: 美国的X10电力线载波通信模块，CEBus，日本的HOME BUS和欧洲的EIB.

消费总线使用五种介质: 电力线，无线，红外，双绞线和同轴电缆，其中电力线使用最广泛. 但是，目前，由于电网的特性，电网的结构以及中国居民住宅的分布等因素，使得电力线载波通信难以达到理想的通信效果. 为了减少载波信号之间的干扰，网络系统应尽量减少引入载波信号. 电力载波通信模块用于实现整个网络系统中家用电器和数据收集器之间的数据交换.

电源载波通信狗功能对AT89S52和ST7536进行必要的复位，以防止由于系统崩溃而导致系统通信中断. 多通道选择开关采用CD4052，通过选择载波和两条总线，实现了载波通信和两条总线通信的分时控制.

>图1通用通讯模块框图

>图2电源线接口图

>图3电源线接口电路

>图4两总线通讯电路

>图5接收和载波发送波形

通信模块的电力线接口电路的设计

在国的标准. 当前，北美电网的标准频率范围为100KHz-450KHz（480Y / 277V，208Y / 120Vac），欧洲电网的标准频率范围为9KHz-150KHz（400Y / 230Vac）. 在标准频率范围内，许多公司根据本地电网的特点设计了自己的电力线载波调制解调器芯片，并采用了各种特定的专有技术. 由于国外电力线载波调制解调器芯片是针对本地电网的特性和电网的结构而设计的，并且通常是为家庭自动化而设计的，因此很难满足家庭使用. 目前，只有一两个电力线载波调制解调器芯片几乎不能用于某些应用领域. 该系统使用ST7536作为调制解调器进行载波通信.

ST7536是STMicroelectronics设计的用于电力线载波通信的调制解调器芯片. 除了通用调制解调器芯片的信号调制和解调功能外，它还为电力线应用增加了许多特殊的信号处理方法. 目前，它已广泛应用于家庭电力线载波通信领域，但各公司的应用水平不同. ST7536调制解调技术是一种后向FSK方法，其最高波特率只能达到1200 bps. 另外，它没有CSMA（网络载波侦听）功能，这限制了它的应用. 目前，根据国内电网的实际情况，在电力线载波通信领域，ST7536是一种较为合适的调制解调器芯片.

ST7536的输出信号幅度小，驱动能力弱且谐波多种，因此必须先对其进行放大和滤波，然后才能通过耦合电路将其调制到电源线上. 耦合电路将高电压和低电压隔离，以防止高电压穿透通信电路. 同样，来自电源线的载波信号必须由ST7536接收，并且电源线上的干扰信号非常不确定且非常复杂，因此需要一个带通滤波器来使信号在67.2kHz〜87.5kHz之间通过（系统使用72kHz的载波频率），然后经过预放大后发送到ST7536的. 该电路的框图如图2所示.

框图的左端包括ATO和RAI以及ST7536的RX / TX. RX / TX是数字信号，它控制发送和接收的转换. ATO是ST7536的发送输出，它连接到电源线接口的发送输入. 模拟发送输出由自动电平控制输入电路调节. 峰峰值最大输出电压为6.5V. RAI是ST7536的接收模拟输入. 它连接到电源线接口的接收输出，最大输入电压的均方根值为2V. 通道1和通道2的接收灵敏度的均方根值为2mV（600波特）；通道3和通道4上的3mV（1200波特）. 该系统使用后者.

电力线收发电路

电源线接口电路如图3所示.

通过数字信号RX / TX控制三极管的开关状态，并向发射电路提供DC电源. 当RX / TX为高电平时，电路断开. ST7536的ATO信号经过滤波和放大后耦合到电源线. 这样，仅当电路在载波上传输时，系统的功耗才会达到最大值.

在发射模式下，电源线接口放大并过滤来自ST7536芯片ATO的发射信号. 缓冲区的作用是保护ST7536并驱动电源线接口中的下一个组件. 低通滤波器（LPF）的作用是抑制谐波. 滤波后的信号被发送到功率放大器. 功率放大器通过转换器驱动阻抗为1到100的电源线. 此外，该放大器还执行频带滤波以抑制发射信号的二次谐波.

在接收模式下，转换器从电源线获得信号，在前置放大器中对其进行放大，然后将其发送到ST7536的接收输入RAI. 在此模式下，RX / TX为高.

此电路在电力线上的有效通信距离可以达到1200m〜1500m. 如果使用该系统的软件设计来实现中继功能，则可以增强电力线的实际通信距离.

耦合电路和保护措施

在图3中，RY1是一个压敏电阻，可以使尖峰短路，以防止高压损坏电路. 耦合变压器TR1实现高电压和低电压的隔离. 因为载波的频率相对较高，远高于电网的频率，所以载波信号不受阻碍并且可以隔离高压. 电容器C37阻挡低频和高压，以防止变压器饱和. 电阻器R37的值相对较大. 它的作用是在离线状态下对电容器放电，并防止在设备插头的两端出现高压. D13是双向齐纳二极管，即瞬态抑制二极管，可以有效防止后续电路被高压击穿. 除了电源线上的高压脉冲外，当设备通电时，大约300伏的高压可能会直接施加到耦合变压器上，从而导致大电流，该电流可能会达到数十安培至数百安培. . 齐纳二极管不可能消除这种脉冲. 由于压敏电阻的对应时间相对较慢，完全不能满足电路的要求，而双向稳压器可以满足要求.

两总线接口电路的设计

两个总线接口电路如图4所示.

该系统可以通过该电路实现对多个设备的控制和信息采集. 它的负载能力由另一组总线发送和接收电路确定，其有效传输距离约为1000m. 因为只有两条通讯线，所以系统的接线非常简单方便.

从图4可以看出: 当TCON和RCON都为低电平时，总线既不接收也不发送.

当TCON为高电平时，无论RCON处于哪个电平，总线都处于传输状态，因为此时U7-11始终锁定在高电平，U7-10处于低电平，T2和T4处于关闭状态，禁止接收；当U6-6为低电平时，D5和D6关断，TXD2传送到总线. 当TXD2为高电平时，T1，T6接通，T3断开，总线为12伏. 当TXD2为低电平时，T1，T6断开，T3接通，总线上的电压为0伏.

当TCON为低电平而RCON为高电平时，总线处于接收状态. 此时，T1，T3和T6被关闭，并且禁止发送. 当T2和T4与T5一起打开时，可以在总线上进行编号. 信号被传送到RXD2. 总线上传输的信号是一系列数字信号. 该信号的高电平为5V，低电平为0V.

实验结果

通过控制ST7536的RX / TX控制引脚，载波电路处于接收状态. 在带电和中性线之间添加一个72KHz，0.3V正弦信号，并通过示波器观察24针ST7536的波形. 72KHz，1.5±0.5V，频率偏移调整C35-C37，每增加1nF，中心频率降低2.4KHz. 载波接收信号如图5所示. 当载波电路处于发送状态时，将ST7536的第10引脚（即测试引脚）连接到VCC，并在中性线和火线之间连接一个5.1Ω功率电阻，并用示波器观察. 中性线与火线之间的波形通常应为72KHz，且峰峰值应大于或等于7V. 如果调整了信号失真，请调整相关电容. 载波信号如图5所示.

结论

此通信模块的设计结合了电力线载波和两总线通信，以最大程度地减少电力线子网中电力线通信的使用，从而使相同频带内的干扰信号由电力载波信号引起在电源线上进行了很好的改进，并使用两条总线通讯来实现通讯模块与底层之间的通讯. 为了实现家用电器与楼宇自动化系统之间的网络互联互通，特别是在楼宇自动化和多表采集系统领域，已经得到了实际应用.

参考文献:

1. AT89S52芯片数据表

2. ST7536芯片数据表

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