基于BPL的工业监控系统级芯片MCBPL1500A的研制

梁 明，吴志勇，王 博，孙圆圆，马鹤楼

（1.华北电力大学信息电力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技术有限公司，北京 100085）

基于BPL的工业监控系统级芯片MCBPL1500A的研制

梁 明1,2，吴志勇1，王 博1,2，孙圆圆1，马鹤楼1

（1.华北电力大学信息电力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技术有限公司，北京 100085）

0 引言

宽带电力线通信（Broadband Power-line Communication，BPL)是近年来电力系统与有线通信领域研究的重点，是指利用输电和供电的电力线进行高速数据传输的技术。BPL以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。尽管通过电力线实现数据通信因其便利性和低成本而具有诱人的市场前景，但是长期以来，它一直受传输信道本身特性的限制而没能得到很大的发展。随着正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)技术的成熟应用以及微电子技术的不断进步和发展，今天的BPL技术已经有了突破性的进展，使电力网数据通信实现真正的产品化不仅仅成为可能，而且已经成为一种新的强有力的技术手段。另一方面，工业自动化技术发展不可能离开国际主流信息技术发展[1-2]，而以太网在工业控制系统中的应用越来越广，并形成了工业以太网的多种协议和标准。为此，开发出将BPL和以太网技术相结合，适合工业控制和电力系统自动化领域的专用电力线通信芯片属于填补市场空白，必将对工业控制信息化产生积极的推动作用。

1 芯片架构设计

芯片采用在FPGA中融入ARM7内核-Actel CoreMP7，并利用VHDL硬件描述语言完成所有功能模块设计。FPGA与IP核相结合的嵌入式系统开发方案快捷高效、价格低廉，避免了ASIC流片带来的各种风险。

硬件开发系统采用Actel基于融合技术的混合信号FPGA(Actel Fusion Mixed-signal FPGA)M7AFS 1500-FG484工业型芯片。软核系统开发采用Actel的Libero集成开发系统，该工具集可以进行设计、综合和仿真，能够快速有效地实施整个设计流程，包括平面设计、放置和布线、时序约束及分析、功率分析和生成程序文件。

在对BPL的基本原理进行深入学习研究的基础上，根据我国低压电力线信道传输特性、衰减特性和噪声特性，设计了BPL基带处理系统。应用VHDL硬件描述语言完成了BPL基带处理系统各组成模块的设计。完整实现了从系统架构的设计划分、每个子模块的硬件描述与实现、设计的仿真与验证到下载至FPGA进行在线实测的全部设计流程。在设计过程中，注重对于数字设计方法学的研究与积累，努力寻求简洁高效的实现方案，并且通过灵活使用IPcore的方法加快工作进度，提高设计质量。从最终的结果来看，整个设计无论是功能实现还是性能指标(占用面积、工作速度)，都取得了预期的效果。系统采用模块化设计，每个子模块可以单独使用，为电力线通信芯片开发的下一步工作提供良好的工作平台和技术基础。芯片架构如图1所示。

图1 MCBPL1500A芯片架构

2 芯片主要技术指标

MCBPL1500A芯片运行稳定，最高主频可达350MHz。其主要技术指标如下：1）BGA484封装，芯片面积约27mm×27mm，工作温度为-40℃～85℃，3.3V单电源供电；2）支持10Mbit/s和100Mbit/s以太网商业产品，可通过对接口程序的设置来实现3种不同的工作模式——作为局端、作为终端和作为中继，通过数据包的不同包头来判定信息来自局端、终端还是中继；3）内嵌图像采集DSP模块，可以压缩或解压缩非标准动态JPEG数据流，完全兼容ISO/IEC 10918-1JPEG标准；4）采用ARM7内核处理器，与 ARM7TDMI-STM兼容，32/16位RISC架构，3级指令流水线。

芯片具有以下外部接口：1）1个USB接口，可用于芯片系统设置、外接工控显示终端、接口频道选择、接口数据交换约定等；2）1个10/100M以太网接口；3）2个UART以及2个I2C接口，均可用于接RTU、传感器、接口卡等；4）1个IEEE1394接口，外接摄像机；5）32位GPIO(通用输入输出接口)。

3 芯片设计关键技术

由图1芯片架构可以看出，芯片的设计涉及BPL基带调制、时钟生成、Ethernet、电源和存储器管理、IP软核和DSP移植、应用程序接口设计等诸多技术。以下就BPL基带调制、时钟生成及Ethernet这3个较大模块做简介。

3.1 BPL基带调制模块

由于电力线最初是为传输电力，而不是为了传输信息而设计的，电力线传输特性决定于负载配置状况和各种负载的阻抗特性。多个用户电力线网络可以认为是带有很多支路的梯状网络，每个支路阻抗代表一电器设备的有源阻抗。这些阻抗不断改变着闭合或断开状态，因此电力线的传输特性随时发生变化。图2中的2条曲线就是在同一个中低压电力网的不同地点测得的输入阻抗与频率关系图。

图2 输入阻抗－频率关系图

此外，信号在电力线上传输时存在衰减现象，传输距离对信号衰减的大小起着决定性的影响，随着距离的增加，衰减会迅速增加。虽然很难写出衰减与距离的函数关系，但经过统计发现，衰减/距离比变化为40～100dB/km。在农村衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m大约为20dB；在郊区，25m也能达到25dB；在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。如果接收机的放大器按照最大衰减量设计，那么在衰减较小的时候放大器的输出将会严重饱和，影响解调器的工作。反之，如果不考虑最大衰减量，则在有些时候解调器的输入会达不到足够的信噪比，使解调失败。

在中低压电力线上进行信息传输时要认真研究的另一个重要问题是电力线上干扰的特殊性质[3]。电力线上的干扰可以分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰是指一些自然干扰，如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，它对通信有着严重的影响。经过研究己经发现，电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声[4]。可以近似地将其分成4类：周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发干扰。通常情况下，前2类干扰占主导地位。

通过对电力线信道特性分析可知，电力线作为通信信道其信道环境十分恶劣，难以找到一个精确的解析式或数学模型加以描述，信道噪声、信道衰落和多径效应严重影响着数据通信质量[5-6]。这对载波通信接收机的设计影响很大，需要采用合适的通信技术来对抗其复杂的信道特性。而OFDM调制技术具有抗多径时延、抗频率选择性衰落、传输速率高、频带利用率高、均衡技术简单等特点，非常适用于电力线通信。为此，MCBPL1500A芯片的BPL基带处理系统中采用OFDM调制技术。整个OFDM基带处理系统分为上行发射部分和下行接收部分。OFDM参数的选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。通过仿真和实验，确定系统参数如表1所示。

3.2 时钟生成模块

在芯片设计中采用的是基于时钟触发沿的同步时序电路，这对时钟的周期、占空比、延时和抖动都提出了很高的要求。为此，设计了专用的时钟生成模块(Clocks Generator)来产生系统所需的所有时钟信号，Actel的M7AFS1500-FG484FPGA芯片提供了高性能时钟管理器(DCM)，可以用来生成高质量的时钟信号，为时钟生成模块的设计带来了方便。设计所使用的M7AFS1500-FG484芯片具有4个DCM模块，可用来进行时钟延时消除、频率合成、时钟相位调整等功能。DCM由3部分所组成，最低层是数字延迟锁相环 (DLL)，其次分别为数字频率合成器(DFS)和数字移相器(DPS)。时钟管理单元原理结构如图3所示。

表1 OFDM调制参数设置表

图3 时钟管理单元原理结构

时钟生成模块主要使用DLL和DFS的倍频、分频以及频率合成功能来得到发射处理器所需的所有时钟信号。综合后得到的时钟周期分析如表2所示，时序分析结果显示整个设计最大的时钟周期延迟（Period Delay）来自SYS_CLK，为9.322ns，换算成时钟频率为107MHz，远高于系统所要求的20MHz。而其他时钟的周期延迟均小于9.322ns，其中频率要求最高的CB-CLK（80MHz）的最高工作频率达到了147.76MHz。所有时钟完全符合芯片工作对时序的要求。

表2 时钟周期分析

3.3 Ethernet模块

以太网接口模块的功能是处理主机访问网络终端的操作，把来自上层的数据包封装成帧，再编码成信号发送到网络上，或者把从网络上接收到的信号组合成帧，送往OSI模型的上层设备处理。由于芯片的设计专用于电力系统监控中，故在设计中选择ODVA设计的工业以太网协议(Ethernet Industrial Protocol,Ethernet/IP)，在OSI的第一、二层符合标准的IEEE802.3以太网规范。在物理层中介质更换为电力线，在数据链路层采用了基于载波监听多址访问/冲突避免(CSMA/CA)的广播共享方式[7-8]。并根据监控需求对原有TCP/IP协议栈中不必要的部分进行了简化，使其满足专用芯片的需求即可。专用TCP/IP协议消除了标准TCP/IP协议栈对流量控制的繁琐过程，仅保留必要功能，同时通过专用算法加强对会话连接的控制、缩短连接超时的时间、增加连接数量等手段，增强系统抵御攻击的能力，最终实现监控的持续安全工作。

TCP/IP协议的基本传输单位是数据包(Datagram),TCP协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头，包头上有相应的编号，以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式。IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址，如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。数据信息和控制命令的传输过程如图4所示。

图4 数据传输示意图

物理层实现数据的编码和解码以及频率选择，而且定义了基本的机械和电气特性，包括把局端和终端连接在网络上的电力线、接口以及信号选项等。OFDM调制中有7个工作频段，室外4个(2.4MHz±1MHz，4.8MHz±1MHz，8.4MHz±1MHz，10.8MHz±1MHz)，室内3个(19.8MHz±1MHz，22.8MHz±1MHz，25.2MHz ±1MHz)，每个工作频段数据传输速率约9Mbit/s(使用大约2MHz频谱)，其中上行4.5Mbit/s，下行4.5Mbit/s。

4 芯片的测试应用

为方便用户使用，编写了基于芯片资源的全套应用程序接口(API)，使得用户能够脱离硬件的束缚，快速方便开发自己的产品。MCBPL1500A芯片的应用推广工作势头良好，该芯片在CDC-226A热风炉控制系统项目中的应用如图5所示。

图5 MCBPL1500A芯片在热风炉控制系统中的应用

该热风炉自控系统中设有6个BPL终端和1个BPL局端。可以通过设置芯片的工作模式，使芯片处于BPL终端/局端模式。

1 号BPL终端外接1个智能数据采集卡，可以采集水煤气发生炉与热风炉的煤气流量、压力大小，通过电力线传送给BPL交换机，再传送到监控中心，由监控系统通过软件预定的参数值对调节阀和变频器进行控制。2、3号BPL终端分别外接1个智能数据采集卡，可以分别采集2个热风炉体拱顶温度，实现对拱顶温度的监测，并及时控制2座热风炉的冷风阀、热风阀、煤气阀，决定2个热风炉的燃烧及送风状态。4号BPL终端外接1个智能数据采集卡，可以采集烟道的温度，并通过电力线传送给BPL交换机，再传送到监控中心，及时准确地得知烟道温度情况。5、6号BPL终端分别外接1个摄像头，用来监测2座燃烧炉里火焰燃烧情况。由于该MCBPL1500A芯片内嵌图像采集DSP模块，可将图像信号直接压缩成图像文件实现非实时的信息传送，以达到图像监控的目的。BPL交换机建立各BPL终端与主站服务器之间的连接与数据交换，有效实现状态监测，包括各个监测点的温度、压力、阀门状态、报警画面和历史纪录等，确保热风炉安全、可靠、高效运行。

该芯片在热风炉自动控制系统中运行稳定，性能可靠。传输速率和稳定性基本满足控制要求，可以使操作人员准确及时了解2个炉体火焰燃烧情况，并及时切换工作方式，达到了预期效果。

5 结语

宽带电力线通信作为一种通信技术，在未来几年有着极其诱人的发展前景和潜在的巨大市场[9]。尤其是在工业监控方面，随着工业信息化的升级以及安全工程的逐步完善，低成本可靠的通信手段将会占据主导地位。

从技术上看，MCBPL1500A芯片遵循EtherNet/IP以太网工业协议，在设计中舍弃了室内和室外电磁干扰较强的频段，保留了现有的2MHz带宽的7个工作频段，在工厂、发电厂、变电站等大电流运行条件下工作具备较强的抗干扰性能，可用于图像监控，制造成本低；同时由于采用了Actel融合架构的芯片开发平台和高性能Flash内存工艺的融合器件，使得该芯片具有超低功耗性能，适用于实时性和稳定性要求很高的工业控制网和电力系统自动化内部通信网，达到了工业级控制水平，为BPL技术开辟了一个全新的应用领域。

[1]冯冬芹，金建祥，褚健.工业以太网与实时以太网协议剖析[J].可编程控制器与工厂自动化，2005(1)：6-9.

[2]陈宇.基于以太网技术的分散控制系统网络性能测试与分析[J].贵州电力技术,2009(12):25-27.

[3]吕英杰,邹和平,赵兵.国内低压电力线载波通信应用现状分析[J].电网与清洁能源,2010,26(4):33-36.

[4]卢志忠，孙红敏，李玉清.低压电力线载波通信信道传输特性分析[J].黑龙江电力，2002(6)：413-415.

[5]李根旺，赵富海.信号在电力线上传输应用中特性的研究[J].现代电子技术，2005(9)：30-32.

[6]刘峰.电力线路通道建设的思考[J].贵州电力技术,2008(1):39-40.

[7]孙圆圆.BPL工业监控系统级芯片的系统与结构设计[D].北京：华北电力大学，2008.

[8]李鹏,李郁侠,任丽丽,等.基于ARM-Linux与超声波技术的多功能监测系统设计[J].电网与清洁能源,2010,26(4):77-80.

[9]孙建军，吴太虎.电力线通信(PLC)技术的发展[J].自动化与仪器仪表，2003(5)：1-7.

Development of Chipset MCBPL1500A for Industrial Monitoring and Control Based on BPL

LIANG Ming1,2,WU Zhi-yong1,WANG Bo1,2,SUN Yuan-yuan1,MA He-lou1
(1.RCIEPT，North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.ZBAIST Beijing Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Designed and developed of the Actel Fusion programmable system chip and SoC development platform,MCBPL1500A is an EtherNet/IP Chipset based on Broadband Power-Line Communication (BPL)for industrial monitoring and control,it helps achieve a convenient low-cost,stable and reliable newindustrialcontrolnetworkofelectricpowersystem.Atypicalcase for the correspondingapplication is shown toverifyits performance and functionality.This paper briefly introduces the overall architecture ofMCBPL1500A,presents its main features,describes thekeytechnologies,andoutlinesthepotentialapplicationareas.

BPL；industrial monitoring and control；chipset；EtherNet/IP；MCBPL1500A

在Actel可编程系统芯片和融合技术SoC开发平台上，设计并开发了基于宽带电力线通信(BPL)的EtherNet/IP工业监控系统级芯片-MCBPL1500A,该芯片融合了宽带电力线通信技术和EtherNet/IP技术，实现了一种便利低廉、稳定可靠的新型工业控制网络，并通过一个典型案例进行了相应的验证应用开发。文章概要地介绍了芯片的整体架构、主要技术指标、关键技术以及测试应用情况。

宽带电力线通信；工业监控；芯片；以太网工业协议；MCBPL1500A

1674-3814（2010）07-0068-05

TN915.853

A

2010-03-29。

梁 明（1956—），男，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为移动通讯、信息电力，计算机应用；

吴志勇（1981—），男，硕士研究生，主要研究方向为信号与信息处理。

（编辑 冯 露）