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2023-01-2312:20:22|分类:电力载波技术|标签:电力载波通信|字号大中小订阅
电力载波〔PowerLineCarrierWave,简称PLCW〕通信是利用电力线进展信息传送的一种通信方式[1]。电力载波通信在远程三表〔水表、电表、煤气表〕信息的自动采集和传输中得到广泛的应用,在智能小区建设中备受青睐。随着信息技术的进展,智能化网络家电渐渐成为争论热点[4],而将电力载波应用于智能化网络家电把握则刚刚开头。国内目前尚未有应用于智能化网络家电把握的电力载波通讯产品的争论报道;而国外已经有稳定的构建智能化网络家电的电力载波通讯产品[3],但其价格昂贵,中国一般家庭难以接收,而且电压是110V,也不适合中国国情。因此,有必要对电力载波技术进展深入探究,争论开发出适合中国国情、
本钱低廉而牢靠的电力载波通讯产品。
将电力载波应用于智能化网络家电把握中有很多优点:〔1〕可以利用现有的电力线组网;〔2〕由于不必重布网,所以可以节约财力、物力和人力;〔3〕稳定牢靠,易于实现;〔4〕目前市场上已经有多种电力
载波芯片,可以择优选用。
但是将电力载波应用到智能化网络家电把握中还存在很多技术难点:〔1〕如何设计基于电力载波把握的智能化家电网络的体系构造;〔2〕如何制定电力载波通讯协议,使得它们之间能够相互牢靠地传递信息;
如何抑制电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅振荡干扰等问题[2];〔4〕如何设计电力线接口
〔PowerLineInterface,简称PLI〕。本文将从上述问题动身,阐述智能化网络家电把握中电力载波模块的设计与实现过程。
1电力载波通讯网络体系构造
电力载波通讯是利用电力线进展信息传送的通讯方式,因此利用电力线可以组建家庭环境的通讯网络。基于电力载波组建的电力线通讯网络如图1所示。电力载波通讯网络一般承受主从把握方式,图中上层有一个主控CPU,下层有假设干个从CPU。主控CPU向各个从CPU发出指令协调工作,同一时刻只能有一个
CPU使用电力线资源。主控CPU与网关或者家庭效劳器相联,从CPU把握智能电路工作。
电力载波模块设计
在目前的电力载波通讯产品中,主要使用两种方式:窄带通讯方式和扩频通讯方式。窄带通讯技术价格低廉并且较为简洁实现;扩频通讯技术在抗干扰性能上扰于窄带通讯,但技术简洁。使用ST7536作为电力载波芯片,承受窄带通讯方式,是目前广泛应用于自动抄表系统中的一项成熟技术。考虑到家庭网络通讯距离
短、消息命令少等特点,因此本文选择ST7536芯片设计电力载波通讯模块。
模块构造
电力载波模块构造示意图如图2所示。它以ST7536为核心,选用89C52/C51系列单片机为把握器,
具有RS232接口和电力线接口。电力载波模块的工作过程如下:
模块常常处于接收状态〔Rx/Tx-=1〕,时刻监听电力线。当电力线上有信号时,开头接收信息帧,并同时校验目标地址。假设目标地址不是本机地址,则抛弃该帧。假设目标地址与本机地址,则抛弃该帧。假设目标
地址与本机地址一样,则分解该信息帧,检出有用信息,然后通过RS232接口发往上位机或者应用家电。
假设上位机发出把握指令或者家电产生回馈信息,则通过RS232接口产生中断进入模块。由模块将把握指令或回馈信息组合成帖,然后模块转入发送模块〔Rx/Tx-=0〕,通过PLI将信息帧发送到电力线上。信息
帧发送完毕,模块转入接收模式〔Rx/Tx-=1〕。
技术难点
信号衰减、阻抗失配、脉冲噪声以及等幅振荡波干扰等问题是影响电力线传输信号的普遍问题。除此以外,电力线接口的变压器设计也是设计难点。
在电力线上存在各种各样的干扰,主要包括电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时产生的干扰、电网电压的短时下降干扰和拉闸过程形成的高频干扰。对于以上各种问题,解决的方法主是屏蔽、滤波、接地,在线路板上布线时应留意减小分布电感和分布电容。衰减和阻抗匹配实际上是一个
问题的核心问题是对电线阻抗进展检测,检测到的信号引入到ST7536构成闭环,使阻抗匹配,增大输出功率。另外,在电力载波模块的,应尽力避开同一线路上两个模块同时处于发送状态,此时两模块互为负载,模块假设长时间工作,将有可能损坏。解决问题的方法是:建议主从式网络,由主机对各从机轮询,从机只有得到主机把握指令后才可以往电力线上发送信号;而发送模块一旦觉察线路上有其它模块下在发送,则本模块马上转为接收状态。
PLI的变压器设计是另一个设计难点。图3所示是PLI的构造示意图。它由低通滤波、前置放大、变压器等组成,目的是把ST7536同电力线隔离,在电力线上加载/析取信号,过滤电力线上的50/60Hz信号以及
发送信号的二次谐波信号。
变压器的铁芯是TOKOT1002N,具有两个主绕组和一个副绕组,匝数比为4:1:1,其电路构造见图4。变压器的典型值为:Llt:;L4t:140μ。H
变压器的主绕组作用是选通滤波,利用电容C10/C11将谐振频率设定在发送频率。电容C10/C11与主绕组1t/4t并联。这两个绕组等效值计算如下:
Leq=L1t+L4t+2M (1)
其中,M值为:
将〔3〕式代入〔1〕式得等效电感:
Leq=L1t+L4t+2×M=+140μH+2×=200μH〔4〕
LC网络的谐振频率为:
所以电容C10与C11并联的等效电容〔Ceq=Cp=C10//C11〕为:
由于ST7536是基于窄带通讯方式的,所以滤波器的通带很窄,因而对于每个发送频率Cp具不同的值。在印刷电路板上电容应当靠近变压器。为了获得最正确的滤波性能,电容C10/C11承受线性度较好的种
类。
电容C12用来过滤电力线上的50/60Hz信号,它将低频信号过滤掉而让高频信号得以通过。C12是
X2类电容。X2类电容具有短路保护功能。这在电力载波系统中是不行缺少的。由于假设万一电容短路,C12
电容就失去了过滤50/60Hz信号的力气,则PLI就会烧坏,危急时会对靠近ST7536的人员造成损害。为了避开毛刺对PLI破坏,在PLI中使用了TRL1
双向稳压管。。,TRL1就会短接到地,从而保护PLI
的其余部件不会被烧坏。
通讯协议
为了使模块之间能够相互通讯,给ST75367通讯定制了一个简洁而有效的协议。使用这个协议很简洁纠错和检查误码率,而且此协议很简洁修改以满足各种特别的需求。
在电力线网络上,ST7536发送的是信息帧,每一信息帧由前导字、系统地址、目标地址、把握命令块和数据块五局部组成。前导字和系统地址各占两个字节,目标地址、把握命令块和数据块各占三个字节。
前导字用来使发送ST7536和接收ST7536同步,它由两个8位的“10101010”字节序列组成。接收模块用它来调整接收时钟。由于ST7536发送出的前3位有可能发送时产生错误,所以前导字中不含有效数据,
可以抑制开头数据传输时的不行靠数据。
系统地址用来区分电力载波网络中的不同模块。系统地址只有8位,为了避开发生错误,系统地址发送了
两次,如图5所示。帧的目标地址、把握命令和数据必需是格外牢靠的,所以对它们要进展引错。为了纠错,每个数据要发送三次。例如,目标地址只有8位,它被发送了三次,分别在目标地址1、目标地址2和目标地址3中。把握命令和数据也是一样。因此目标地址〔1、2、3〕中应当是一样的内容。纠错的方法就是利用举手表决算法从这三个字节中提取出正确的信息。纠错的过程如下:首先对目标地址1、目标地址2和目标地址3的第0位进展比较,假设有至少两个字节中的第0位为0,则目标地址的第0位为0,否则就为1。然后依次比较第1位、第2位至第7位,这样可以确定目标地址的全部位。
同样的方法也用来对把握命令字节和数据字节纠错。
软件
依据通讯协议,开发ST7536电子力载波模块的软件。ST7536常常处于接收状态。当检测到确定时间
〔设为500ms〕没有检测到有效信号,ST7536就转入发送模式,假设有数据发和就发送,发送完毕后转入接收模式;假设没有数据发送,则直接转入接收模式。
软件承受了缓冲区交换技术,如图6所示。该软件中为串口通讯建了一个输入缓冲区和输出缓冲区,为电力载波通信建了一个输入缓冲区和输出缓冲区。
首先检测电力线上是否有有效数据,假设有就将其放到电力载波接收缓冲区;否则就开头轮询是否有数据要通过串口或者电力载波发送,通过串口过来的数据通过中断进入串口接收缓冲区。轮询时,当串口接收缓冲区中有数据时,将其经协议处理机处理后放到电力载波发送缓冲区等待发送;同样的方式将电力载波接收缓冲区的数据放到串口发送缓冲区。最终,软件依据电力载波发送缓冲区或串口发送缓冲区是否有数据而
打算是否实行相应的发送动作。
试验和分析
为了验证电力载波通讯模块的可用性以及智能网络家电的可行性,我们开发了网络洗衣机和智能电灯作为把握对象,以家用PC作为HomeServer,其物理示意图如图7所示。
试验时,操作者通过Internet或者PSTN拔号连接到HomeServer上,发出把握指令或者恳求给HomeServer,HomeServer通过RS232将把握指令送给PLCW模块,PLCW将把握信号调制加到电力线上,与家电连接的PLCW接收到信号并解调,然后通过RS232将指令送给网络洗衣机和智能电灯。网络洗衣机
和智能电灯可以将把握指令执行结果沿相反路径反响给操作者。
为了区分网络电器,事先给网络电器编号,即安排地址。例如,网络洗衣机的地址为1,智能电灯的地址分别为2和3。操作员发出的把握指令中必需包含把握对象地址。同时为了把握便利,定义组地址,如255代表
全部的电灯,即当把握对象址为255时,全部的智能电灯都会接收指令并执行。
试验结果说明,在100m范围以内,基于ST7536的PLCW通讯模块可以正确地收发信息,根本上没有误码消灭。当把握指令较短而且发出指令的频率不高时,PLCW通讯模块根本上可以实时响应。但当把握指
令较长而且发出指令较为频繁时,PLCW通讯模块响应较慢。这是由于ST7536在电力线上的波特率为600bps和1200bps两种可选。该模块目前的数据通讯速率为600bps。而且由于定制的协议中每帧中只有两个字节〔把握命令和数据〕为试验需要的字节,。所以它适用于传送短消息〔命令〕数据通讯量低以及实时性要求不高的状况。
试验证明,应用电力载波通讯技术,可以有效的把握家庭电器,省去家庭重布线的麻烦。因此,电力载波模块可以作为基于短消息短命令把握机制的家庭电器和家用效劳机器人的把握方式,能够较好地用于构
建家庭通讯网络,是一种性能价格比较高的把握方式。
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电力载波通信把握终端设计
低压电力线载波通信的接口电路设计
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低压电力线载波通信的接口电路设计
2023-01-2313:19:32|分类:电力载波技术|标签:电路电力载波通信接口|字号大中小订阅
摘要:为了利用低压电力线实现牢靠的载波通信,接口电路的设计是问题的关键。其难点在于:一方面,要求载波信号的加载效率高;另一方面,要求电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰。为此,承受了“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”,很好地解决了这一难题。基于这种“复合耦合技术”,分析并设计了“低压电力线载波通信的接口电路”。仿真结果和试验结果说明:该接口
电路既有较高的载波信号加载效率,又能完全地隔离电力网50Hz的工频信号。因此,该接口电路可广泛应用于低压电力线通信系统。
关键词:载波通信;低压电力线;接口电路;设计
一、前言
电力线通信,简称PLC〔PowerLineCommunication〕,是以电力网作为信道进展载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比,能充分利用现有的电力线资源,即利用电力线进展
通信,实现信息的传输。因而,电力线通信具有很好的开发前景和应用价值[1]。
最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Internet网,它从简洁的数据传输提高到了网络联接。法国已推出了电力线调制解调器集成电路,使住宅智能化产品向市场化方向进一步推动。电力线通信目前在欧洲〔德国、英国、瑞典等〕进展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规章的国家[2]。中国电力系统已组建国电通信中心,并向信息产业部正式申请了牌照。国
家电力公司打算在2023年建成全国统一的联合电力网通信系统,其前景极其可观。
但是,低压电力线是一种通信环境格外恶劣的信道,有很多问题有待进一步争论[3]。低压电力线传送着220 V/50 Hz的电能,在低压电力线上并接了很多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点,给低压电力线通信带来了很大的困难[4]。因此,低压电力线通信必需首先解决以下两个难题:
〔1〕电力网50 Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰;同时,考虑到整个通信系统
的安全,必需进展强电隔离;
〔2〕低压电力线上并接的全部用电器的“统计载波阻抗”要高,以确保较高的载波信号加载效率。上述问题,正是低压电力线通信的接口技术问题,下面从这两方面介绍其设计原理和实现方法。二、接口电路的模型
依据低压电力线通信接口技术的要求:一方面,必需进展强电隔离;另一方面,要确保较高的载波信号加载效率。为此,必需承受“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”,其接口电路模型如图1
所示。
该电路的关键物理量是2个回路中的电流i1(t)和i2〔t)。由基尔霍夫其次定律可得出该电路的数学模型:
对〔1〕式,通过不同的处理将得到不同的数学模型。对图1所示的双RLC耦合回路进展去耦处理,得到2个独立的RLC串联回路。对〔1〕式求导,则可得到二元二阶方程组:
〔2〕式同时含有2个未知函数i1(t)和i2〔t)的二阶导数,不便直接求解。
假设将RLC串联回路表示成二元一阶方程,则由2个RLC回路便可得到四元一阶方程组:
该方程组含有4个未知数:i1(t),i2〔t), , 。其定解条件,直接由电路的初始储能状况给出,当无初始储能时,为齐次初始条件,即:
设全部电路元件都是非时变性元件,则所对应的常系数线性一阶常微分方程组,可转化成线性代数
方程组进展求解。
三、接口电路的实现
依据上述的理论分析与建立的数学模型,可设计出低压电力线通信发送端的接口电路,如图2所示。


在发送电路中,三极管Q1和变压器T1组成调谐功率放大电路。这里谐振变压器T1有着双重作用:一方面,耦合载波信号;另一方面,使通信电路与220V/50Hz的强电隔离。在Q1和前级运放之间通过
一个电路R1耦合载波信号,这个电阻还可避开后级电路产生自激振荡,此电阻的另一功能是增加放大器的负载阻抗。
前级运放输出的信号经R1输入到功率放大管Q1,再经Q1和谐振网络组成的单调谐放大器放大耦合到沟通电力线上。其调谐回路的谐振频率应满足:
假设将中心频率选在460kHz[5],电容取值为22nF,,即通过调整变压器初级绕组电感量来调整中心频率。
变压器T1将电力线与接口电路的其余局部相隔离,将发送信号送至电力线;从电力线上取接收载波信号;滤除来自电力线上的干扰噪声。
信号经L1、L2、C1、C2耦合至电力线上,C1、C2、L1、L2组成了带通滤波器,而低压电力线阻抗R具有时变特性。由此,可计算出C1、C2、L1、L2和低压电力线阻抗R组成的双口网络的电压转移
函数:
四、接口电路的仿真
依据该接口电路的电压转移函数,对此双口网络进展了计算机仿真分析。这里,着重分析了在不同的低压电力线阻抗条件下,此带通滤波器的通频带,即该接口电路的频率特性。其频率特性是评价该接口电路耦合性能的一项重要指标。仿真显示了当电力线电阻为2Ω、5Ω、10Ω、15Ω、30Ω、50Ω、100Ω
时,通频带的状况,其频率响应曲线如图3所示。
从图3的分析结果可见:电力线阻抗越大,接口电路的通频带越宽,对信号的耦合性能就越好,但选择性差;电力线阻抗越小,接口电路的通频带越窄,对信号的耦合性能就越差,但选择性好。经统计分析得知,低压电力线的统计阻抗一般在5~15Ω之间[6]。因此,所使用的429~503kHz的信号均在通频带〔衰减小于3dB〕范围内,也就是说,以460kHz作为低压电力线通信接口电路的中心频率是合