基于PIC单片机的电力线载波系统的探讨

◆许国强 冯秀玲

1 引言

电力线载波（Power-line Communication，PLC）是一种充分利用电力线分布式系统的技术。该技术可以为用户提供一系列的服务，如互联网络、家庭娱乐、家庭自动化等。同时，PLC技术也帮助电力供应者在管理电网的过程中有更多的竞争优势。因为电力供应商能够通过电网将所有的用户连接起来，所以它在电表通信系统中得到广泛的应用。在远程抄表系统中，大功率的信号通过电网传输给了用户，然后再接受到所有用户的反馈信息。该系统已经广泛在欧洲得到实施，在亚洲国家也有一些试点。

PLC系统也可以用在建筑物中的数据通信，如基于PLC的门禁系统、基于PLC的路由器。这一技术的应用使得铺设线路方面的开支大大节省。同时，电力供应商通过捆绑销售宽带业务，从而获得高额的利润。

PLC技术能够经济、有效地应用在一些特定的领域，主要是该技术具有许多其他有线和无线传输技术所不具有的优势：PLC利用现有的电力线网络，节约了铺设线路的成本；PLC传输比无线传输、电话线传输更安全，传输的数据不容易受到攻击；PLC传输使得电网用户始终在线，而且不需要过多考虑传输设备的电源问题。

同样，也存在一些不利的因素制约了PLC传输技术的发展：电力线辐射所造成的干扰；电网中的负载和用电设备使得信道中的噪声很大；电网中存在一定的安全隐患，使得PLC在维修的时候需要一定的专业防护。

为了实现简单化，本系统使用OOK技术（on-off-keying,二进制启闭监控技术）。同时，本系统中由接口电路来实现PIC单片机和电网之间的电气隔离和阻抗适配。这就意味着该系统将使用大量的现成组件，从而节约了设计成本。通过分析和实验，证实了本系统可以实现有效的信号传输。

2 PLC系统

众所周知，电力线并不是数字信号良好的传输媒介，这是因为传输信道中的杂散信号会作为噪声脉冲传输给接收端。所以，必须通过加强传输信号来克服传输通道中的干扰。这就使得基波传输变得不可行，而数字调制技术则可以实现信号的安全传输。

如图1所示，基本的PLC发射端、接收端电路各分为5部分。在发射端的结构框图中，有数据采集端、串/并行转换器、载波频率振动器、数字调制模块和接口电路。发射端的作用是将采集到的信号经过调制电路调制后，传送到电力线的网络上。OOK模块是一种简易的调制模块，它采用的是ASK技术（Amplitude-shift modulation，称作幅移键控技术，它是通过改变载波信号幅值的大小来表示数字信号的技术）。接口电路用于隔离220 V的日常照明用电和低压用电设备。同样，PLC的接收端通过接口电路将其与电网连接起来。前级放大电路能够实现信号在电力线中传输的损失补偿。放大后的信号经过解调模块恢复为原始数据传输给接收端。

3 基于PIC的电力线载波系统

该电力线载波系统将通过PIC单片机实现数据的生成和同步。输入PLC发射端的数据是由PC产生的并行数据。PIC单片机能够读取并行数据，并将其转换成串行数据。这样就保证了PIC单片机能够通过延迟消除数据传输过程中开关电路所造的尖峰噪声。

PLC的发射端 如图2所示，PLC的发射端由以下几部分组成：PIC单片机，实现传输数据的同步，并作为数据源；OOK调制模块，将传输信号转换成随幅值变化的电信号；电平转换器，主要作用是实现PIC单片机与OOK调制模块间的电平转换；功率放大电路，减少信号在传输过程中的损失；接口电路，隔离电压为220 V，频率为50 Hz的高电压和低电压。

接口电路由LC谐波电路组成，可用于发射端和接收端，如图3所示。接口电路的Tx端口连接到发射端，Rx端口连接到接收端。调制信号经过接口电路传输到电网。根据工作经验选择相应的参数来减少信道中的干扰，从而获得最佳的输出效果。因为所选择的载波频率必须是持续的、稳定的，而且载波频率应该比信号的传输频率高，所以选用LM566组成的电压控制振荡器来生成频率为140 KHz的矩形波。该频率远大于传输数据的频率，之所以选择矩形波，是因为它具有更强的抗干扰能力。

调制信号经过功率放大电路，提高所需的电流电平来驱动接口电路。这里，功率放大电路由功率C3039晶体管组成。正是由于该晶体管能适应高电压、高频率的工作环境，所以广泛应用于感应电路。PLC的集成电路将工频电路和低压电路分离开来，同时接口电路也可以用来抑制开关所产生的高电压尖峰。

PLC的接收端 在PLC的接收端接收到的信号被前级的放大电路放大。这个放大信号经过OOK解调模块还原出原始的数据，接收端被还原的数据传递到微控制器中，然后将串行数据转换成并行数据。这个接收端接口电路与发射端的接口电路具有同样的功能，隔离工频高压电。如图4所示，OOK调制解调模块电路的设计采用基本的逻辑门电路进行电平转换，该电路可以连接TTL和CMOS。由集成运放组成的比较器可以实现电平转换。该电平转换电路可以将电压的幅值增加到8 V，而低电压的幅值小于2 V。OOK中的载波信号来自于LM566组成的电压控制电路。

图4 PLC接收端

4 流程图

PIC单片机通过编程将端口中输入的并行数据转换成串行数据。PIC经过RS232传输引脚将串行数据输出。PIC的流程图如图5所示，可以看出，微控制器通过延迟来控制信号，从而减少信道中由于开关所产生的尖峰脉冲。

图5 PIC的流程图

通过对接口电路漏电工频的测量来实现对其的检测。实验结果表明，最大的漏电信号幅值为36 mV，这并不会给发射端和接收端信号传输造成太大的影响。通过3种不同类型的信号（正弦波、三角波、矩形波）来检测接口电路，用得到的数据评估电路的衰减性能、失真和噪声。在3个点（发射端、电力线、接收端）对发出信号的传输过程进行检测，结果发现，正弦信号有很强的衰减，所以矩形波被用作载波信号。

5 结束语

本文试图设计一个简单、可靠的PLC系统，这个系统可以达到稳定、可靠和精确的要求。通过不断地分析和总结可以看出，这个基于PIC单片机的电力线载波系统具有较小的噪声和失真。同时，该系统由现成的组件组成，减少了设计成本，有利于其实现规模化生产。另外，它可以应用在低速率的数据传输上，比如远程抄表系统和自动控制系统。

[1]俞品.电力线通信技术的发展与应用[J].电信科学,2002,9(1):35-30.

[2]戚银城,尚秋峰,等.电力线载波技术的现状及发展[J].华北电力大学学报,2001(1):15-16.

[3]潘莹玉.电力线载波通信的现状分析[J].电网技术,1998(2):33-40.

[4]尹晓华.智能用电小区的宽带无线综合业务系统研究[J].中国电力教育,2010(S2):3-5.