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电力载波通信控制终端电路设计
标签:智能硬件(170)控制电路(274)单片机(4533)

  电力线载波(PLC)通信是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术。然而,以下缺点导致PLC的主要应用——“电力上网”未能大规模应用。技术问题未来有可能被克服,但是从目前国内宽带网建设的情况来看,留给PLC的时间和空间并不宽裕。家庭智能系统的研究给PLC带来了新的机遇。该系统以PC为核心实现家电的智能控制。因为数据仅在家庭范围传输,束缚PLC应用的五大困扰将不复存在,远程对家电的控制我们也能通过传统网络先连接到PC然后再控制家电方式实现。该系统中要求家电与PC通过电力线通信终端连接完成数据传输功能,该终端技术上要求能够在电力线环境下稳定传输数据,具有较强抗干扰能力。

  本文所介绍的系统通过扩频通信技术来克服干扰,采用SC1128设计电力载波通信控制终端,载波频率为250kHz,带宽为100kHz,4周波调相,数据速率1kb/s,可实现低压电力线的通信功能。

  系统硬件设计

  本系统硬件结构主要包括电力线耦合部分、信号接收电路部分、信号发射电路部分、电力线信号调制/解调部分、单片机控制部分及数字信号接口部分(包括键控接口和串行通信接口)。硬件结构框图和电路图如图所示。

  电力载波通信控制终端电路设计

  图2 电力载波通信控制终端硬件电路图

  耦合电路部分设计

  耦合电路是载波信号的输出和输入通路,并起隔离220V/50Hz工频的作用。该电路设计时需考虑电力线路侧的阻抗特性,图2中T5为信号耦合变压器,电力线路侧阻抗一般取3~30Ω。然后确定线圈初次级的匝数比或阻抗比,本设计取12/21,最后设计功率放大器的输出匹配电阻。输入通道接一个浪涌保护二极管TVS,经电阻隔离后接二极管钳位电路输出给接收电路部分的前级滤波器。变压器T5实现了高压与低压的隔离。因为载波的频率比较高(100~400kHz),远远大于电网的频率,这样就使载波信号畅通无阻,而能够隔断高压。电容C8阻断低频高压,阻止变压器饱和;电阻R5取值可稍大些,本设计中取1MΩ,作用是在离线时使电容放电,防止在设备插头的两端出现高压。TVS是瞬变抑制二极管,它可以有效地避免后面电路被高压击穿。D1、 D2也是为防止高压击穿放大电路而设计的。电力线上的设备接入或者是断开,都有可能引起尖峰脉冲,并导致收发电路的永久损坏。所以高压保护措施是至关重要的。除了电力线上会产生高压脉冲破坏器件以外,当设备刚刚接上电源时,如果电力线刚好处于电压的最大值,而此时电容上的电压为0,会有300V(220V 有效值,最大值311V)的高压直接加在变压器两端,引起很大的电流,从而在次级产生尖峰脉冲。这个脉冲的电流相当大,可达几十安培到上百安培,采用一般的稳压管无法消除这个脉冲。压敏电阻的响应比较缓慢,在出现脉冲的1μs之内仍然有几十伏的电源,足以烧坏放大电路。实验表明,这种刚刚接入电路时的瞬态脉冲所产生的破坏力相当大。但是它的电流虽然很大,能量却不是很大。采用瞬变抑制二极管1.5KE6.8CA响应时间是5ns,能够吸收200A电流,瞬态功率可达1500W。可以简单地把它看作一个具有强大吸收电流能力的稳压二极管,但它的动态电阻比较大,所以还需要D1和D2这两个肖特基二极管进一步把电压钳位在电源电压左右。

  信号接收部分电路设计

  信号接收部分设计包括前级滤波器设计与增益放大器设计。滤波器为带通滤波器。其作用一方面将带外杂波滤除,另一方面保证前后级之间的阻抗匹配,以达到顺利传递信号的目的。由于主晶振的工作频率不同,载频也不同;调制周波数和数据传输速率不同,带宽也不同。因此,滤波器的参数在主晶振频率不同时也将有所变化的。这部分电路设计值与本终端适应,数据速率1kb/s、四周波调制、250kHz载频,带宽为100kHz(200~300kHz)。这部分增益放大的目的是将滤波后的信号不失真的放大75倍以上,以达到本级增益30dB以上的要求。需特别注意小信号的不失真。

  信号发射电路部分设计

  信号发射部分主要为功率放大电路设计。此级功率放大是将SC1128第24脚的高压开漏输出转换成功率输出。该脚输出时应接一个不小于1kΩ的上拉电阻,其灌入电流不要超过4mA,并有不低于3V峰-峰的信号电压输出。功率放大器本身工作在开关状态。由于正常地发射时间很短,所以在选择三极管参数时应该注意其功率参数(测试时应注意工作时间不能太长,以避免损坏功率放大器的输出三极管,整板测试时可以串一个电阻,不过此时输出波形和功率将受影响)。

  SC1128与微控制器接口

  系统微控制器采用W77E58,它是中国台湾的华帮电子公司(WinBond)推出的高速、高集成、增强型MCS-51系列高性能单片机,是一个快速、高性能、功能丰富、高集成度的8位8051兼容微控制器,适合各种智能控制系统开发。SC1128的第28脚为电路二分之一主晶振输出(其峰-峰值约为 4V),近似正弦波,该系统中主晶振为16MHz,且单片机晶振由28脚引入,即单片机晶振频率8MHz;32脚为电压监测端,该端需接5kΩ上拉电阻与 5V电源相接;33脚为看门狗输入端,正常工作时应该在768ms内产生一次高低电位变化;34脚为看门狗输出端,与33脚配合,正常时输出低电平,否则输出1/3占空比的复位脉冲;35脚为电源报警输出端,与32脚电源监测输入端配合使用,当电源监测输入端监测到的电源信号低于监测值时,输出为低电平。当电源监测输入端监测到的电源信号高于监测值时,输出为高电平;36脚为收发控制端,0为接收,1为发射;37脚在发射和接受同步后产生同步脉冲信号,频率随工作主时钟和周波的变化而变化;38脚发送和接收数据;39脚为设置数据及状态的输入输出端;40脚为同步设置时钟输入端,使SC1128芯片与单片机信号同步;41脚为片选输入端,低电平芯片使能,为保证芯片正常工作,在设计中将其接5.1kΩ上拉电阻。数据收发流程如下:发射状态时,单片机将SR 端(36脚)置高,SCl128芯片发出同步头(37脚),单片机通过TX端(38脚)同步发送数据;接收状态时,单片机将SR端(36脚)置低,SCl128芯片若接收到数据,则产生同步头,通过TX端(38脚)将数据同步发送到单片机。SC1128与W77E58的连接如图3所示。

  电力载波通信控制终端电路设计

  图3 SC1128与W77E58连接图

  
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