基于低压电力线的载波模块设计

作者 / 李照彬 林宏 谢嘉倍

　　广东工业大学信息工程学院(广东 广州 510006)

摘要：由传统的高压电力线通信技术发展而来的低压电力线载波通信技术已经越来越受到关注，低压电力线载波通信技术是利用现有的电力线作为信号传输信道来实现一对一、一对多或多对多的通信技术。选择有效的方案实现电网中的通信至关重要，本设计通过建立低压电力线载波模块系统模型，设计了基于HLPLCS521F的低压电力线载波模块。在完成本设计硬件部分的理论分析后，进行相关的测试，并对测试结果做进一步的分析，实现了利用低压电力线进行数据传输的目的。通过在实验室和现场环境中测试了其通信效果，该载波模块设计方案具有较高的信号保真度和抗噪声能力。

　　当前，电力载波通信技术在以高压电力线为通信载体方面已经取得了成效，且应用领域非常广泛。近几年来，电力线载波技术不断发展，在中、低压技术方面也有了很好的提高，不仅能够提高供电部门抄表系统的运行可靠性，提高电力系统的经济效益，还可以扩展到其他行业，如电力、交通、银行、消防、商场等各个领域服务，这将产生具有巨大的社会和经济效益。通过对国内外低压电力线载波技术的了解和研究，了解到电力线载波通信技术利用已有的电力配电网络进行通信，不需要重新布线，信号不会因为通过建筑物墙壁而受到衰减甚至屏蔽，成本相对较为低廉等，于是搭建出一个实际的、以HLPLCS521F为核心的低压电力载波通信模块实现数据传输，并对模块的通信性能进行了测试。

1 载波芯片

　　本模块所使用的调制解调芯片是HLPLCS521F，HLPLCS521F是一颗为电力线载波通讯设计的FSK调制与解调芯片，芯片内部集成高速数字信号处理器和FSK调制解调器，解调器具有强的抗干扰性能，可适应各种复杂的电力线信道环境。

　　模块可以在过零发送模式和正常发送模式间自由切换，且串口通讯速率可选、偶校验和无校验可选。芯片采用TSSOP20封装，其引脚图如图1所示。

　　Zset用于设置发送模式，若该引脚上拉至高电平，则为正常发送模式，若直接接地则为过零发送模式;U_Eset用于设置串口校验方式，若该引脚上拉至高电平，则为偶校验，若直接接地则为无校验;U_Bset0、U_Bset1两个引脚配合完成串口通讯速率的设置，若为00则通讯速率为1200，若为01则通讯速率为2400，若为10则通讯速率为4800，若为11则通讯速率为9600。通讯格式设置只在上电(复位后)设置有效，模块正常工作后不能再对其设置更改。

　　软件采用模糊算法，即使传输信号被干扰或丢失达40%，也能准确还原出原载波信号、通讯稳定、抗干扰能力超强，配合外围电路，即可设计出高性能、高稳定度、高灵活度的载波通讯模块。

　　本设计利用该芯片配置的灵活性将通讯速率配置引脚、校验方式配置引脚、发送模式配置引脚引出，以实现自由配置需要的设置，既方便调试模块，又能根据电力线环境不同改变相应的设置以达到最好的通讯效果。

2 低压电力线载波模块硬件电路设计

2.1 系统整体结构

　　低压电力线载波通信的原理结构有信源、信道、信息的收发端以及相应的接口电路等，其中信道是低压电力线。采用模块化设计，微控制器发出的数据通过通信串口经电力线载波模块发送至电力线上，而模块从电力线上接收到的信息可以通过通信串口发送给微控制器，以实现对接收的数据进行处理，完成载波通道通信过程。低压电力线载波模块系统框图如图2所示。

　　由图可知电力线载波通信系统信息传递的过程为：微控制器提供信息→通信接口电路→信号调制→电力线接口→电力线→电力线接口→信号解调→通信接口电路→微控制器处理信息。其中通信接口电路为串口电路，信号的调制解调芯片为HLPLCS521F。由此可知，一个低压电力线载波通信系统的搭建需要两块模块进行配合：一块起发送作用，一块起接收作用。

2.2 硬件结构设计

　　载波芯片与电压电网相连需经耦合电路，所以在该接口电路的功能设计上，必须要有耦合功能。除此之外，为减小各种干扰信号的影响，需增加滤波功能;还有为提高传输距离，需考虑增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，还需加设必要的保护功能。综上考虑，设计出芯片HLPLCS521F与低压电力线相连的接口电路框图如图3所示。

　　发送信号的过程从芯片HLPLCS521F的FSK_OUT引脚输出后，需经过功率放大环节以及耦合保护窄带滤波环节; 而信号接收过程从低压电力线输入后，经耦合保护窄带滤波环节和电压放大后，传入芯片FSK_IN脚，这两个环节在整个过程中都在工作。

2.2.1 耦合保护窄带滤波

　　耦合保护窄带滤波电路采用1mH：1mH的耦合变压器，信号经过中心频率为72k的 LC选频网络，即可得到频率高达72k的方波信号。其载波通讯口可直接抵御静电、群脉冲和浪涌的冲击。

2.2.2 发送功率放大

　　发送功率放大电路是由CJ3406和CJ3407配合实现的。从芯片的FSK_OUT引脚出来的信号为中心频率为72KHz，幅值为5V的方波信号，其高低电平使P 沟道 Mos 管和 N 沟道 Mos 管分别导通，使得电压幅值提高到幅值为VPLC的方波信号，之后经滤波器将方波转换成正弦波信号FSK_DATA。

2.2.3 接收电压放大

　　接收电压放大电路中起主要作用的是OP37。

　　前端采用 RLC 带通滤波器设计，中心频率为72k，之后信号经过带通滤波器后进入到运放OP37进行放大，将正弦小信号放大整形成方波信号经FSK_IN引脚给载波芯片解析。测试发现，OP37有着很高的转换率，能完美的放大信号且信号不失真。

2.3 模块应用

　　在完成本设计硬件部分的理论分析后，进行实物制作并测试。

　　制作完成的模块体积小，具有配置引脚，只需短接焊点即可使用该模块，十分方便。模块制作完成之后，分别对该模块进行了一对一、一对多的实际应用，模块表现出色，未出现异常。

3 软件设计

　　低压电力线载波通信系统的软件流程图如图4所示。由图4可知，其软件工作流程如下:

　　首先系统通电开始进行端口的初始化工作，再对用户设置的波特率、帧长和信号通信方式等进行检测，再根据其检测结果发送载波芯片中控制寄存器的控制字;然后开始从电力线接收数据的工作，这时可分两种情况分析: 第一种情况是当FSK载波信号检测到时，就可进入信号数据接收状态;第二种情况，当检测中条件不满足时，则即刻进入信号数据发送状态，如果没有数据待发送，则继续返回检测是否有载波信号出现。

4 测试试验及引脚波形图

　　为测试模块的信号保真度，进行了测试试验。

　　利用串口助手每隔1300ms向模块1发送一次数据(该试验中为0xFE)，如图5所示。此时观察FSK_OUT引脚的波形图如图6所示。观察FSK_DATA引脚的波形图如图7所示。之后，该信号经耦合电路发送到电力线上，此时使用模块2从电力线上获取该信号，得到FSK_DATA引脚波形图如图8所示。而FSK_IN引脚波形图如图9所示。通过串口助手观察模块接受到的数据是否发生失真，如图10所示。

　　可见未发生数据失真现象，经长时间测试，并使用其他数据进行测试，未出现异常，买块表现良好，信号保真度极高。

5 结论

　　本文设计了基于低压电力线的载波模块，该模块集成度高，工作可靠，有较高的接收灵敏度和抗干扰能力，通信速度较快，且保真度高。利用本文设计的低压电力线载波模块，成功实现了基于电力线的一对多的远程控制系统设计、一对多的远程数据传输功能，而且系统稳定，通过获取电力线上采集到的数据进行分析，发现几乎未出现失真现象，可见该系统保真度高。

　　随着科学技术的不断进步，低压电力载波通信在信息传输的有效性和可靠性上已有了很大的改善。电力网络是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值，目前国外都在致力于推广其应用范围，我国电力系统拥有遍及全国各个角落的网络资源，为实现用户接入系统提供了便利条件，在家居自动化、家用电器控制等方面，该技术有着得天独厚的优势可见这项技术发展空间尤为广阔。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第63页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。