基于PRIME的载波系统设计与升级测试

谷 丰

（利尔达科技有限公司，浙江 杭州310011）

0 引言

随着通信技术的不断发展，电力线载波通信这种便捷的方式也越来越受到人们关注，被广泛应用于智能楼宇、家电、智能电网尤其是自动抄表系统中。目前，国内市场上所使用的电力线载波模块都是基于国网标准和协议制作的，只能应用在国内市场中。为了推动电力线载波抄表系统的全球通用化，西班牙等国联合各大半导体厂家建立了PRIME联盟，该联盟全面地定义了电力线载波的物理层、MAC层、应用层，为其制定了统一的标准，并能为载波模块提供联盟认证，方便市场的应用和统一。当前，国内市场所采用的载波标准都没有定义远程升级这一功能，而PRIME协议中规定载波模块必须具有这一功能，为此，我们对基于PRIME协议的远程升级功能进行了测试。

1 PRIME电力线载波系统的设计

本文首先设计一套基于PRIME的电力线载波系统。市场上方案很多，本文选择使用TI方案进行设计。本方案包含有供电电路、调制解调电路、前级驱动电路、信号滤波电路和信号耦合电路，接下来将对其中的主要部分进行详细说明。

1.1 调制解调电路

本方案的调制解调部分使用TI专门为电力线载波应用所设计的C2000系列芯片TMS320F28PLC83来完成。该芯片内部包含有2个运算内核，最大工作频率80MHz，适用于PRIME协议要求的97个子载波的OFDM调制方案，并支持BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、8PSK 和D8PSK等6种调制方式。芯片支持Viterbi译码和CRC，内嵌看门狗电路和6路高速且独立的DMA电路，可以实现与存储器的快速直接存储；其内部拥有快速12位ADC采样模块，满足较高的通信速率要求。芯片内部有256kB Flash、100kB RAM，满足PRIME程序需求。该芯片不仅能完成PRIME协议层的PHY到MAC，还能实现汇聚层的应用和管理。

1.2 前级驱动电路

由于经过调制解调芯片输出的信号功率比较小，不能够直接输送到电网中，需要使用放大电路将信号进行放大。信号驱动电路我们使用TI专门为电力线载波设计的模拟前端放大芯片AFE031。该芯片满足欧洲标准EN50065－1的要求，支持CENELEC A、B、C、D频段，支持 FSK、S－FSK、OFDM 调制方式，并且通过PRIME联盟的认证；有较大的输出能力，在15V供电的基础上最大输出12Vpp和1.5A的信号，而在接收模式下只需消耗15mW的功率。内部包含有可编程的Tx和Rx接收滤波电路和可编程的Tx和Rx增益控制电路，方便用户对信号幅值和接收灵敏度进行调节，芯片的最大接收灵敏度为20μV RMS。芯片通过4线制SPI接口和外部进行连接，方便连接和控制。

1.3 信号滤波电路

信号经过AFE031的驱动电路进行放大后，需通过滤波电路将不需要的频带信号滤除掉。滤波电路分为发送滤波电路和接收滤波电路。在发送滤波部分，驱动芯片内部包含多级带通滤波电路，最终出来的信号只需经过一个耦合电容即可滤除信号中的直流分量。选择的耦合电容需要具有较大的容值和较低的输入阻抗，由于OFDM信号频率在10～90kHz之间，我们一般选择使用10μF电容，电容的额定电压值应该大于信号驱动电路的供电电压值。在接收滤波部分，载波信号经过耦合电路后进入滤波电路。接收滤波电路是由电阻、电容、电感组成的4级带通滤波电路，该滤波电路的带通响应为f1（24kHz）～f2（105kHz）。发送和接收滤波电路的示意图如图1所示。

图1 发送和接收滤波电路示意图

1.4 信号耦合电路

信号耦合电路的作用主要有2个方面：一是将有用的信号发送到配电网络；二是隔离220V／380V工频电压，保护低压部分的电路，防止其被烧坏。信号耦合电路由耦合变压器、高压隔离电容、匹配电感组成，下面将对这3个元器件分别进行说明。

耦合变压器主要用于将微小信号无失真地传输到电力线中，其基于电磁感应耦合原理，将电力线导线作为副边线圈，将高频载波信号作为原边线圈，通过一个高导磁率的磁芯或磁环，构成一个信号传输变压器。耦合变压器的变比N1／N2是一个比较重要的参数，最佳变比能够输出最大的载波功率到电力线中，其可通过模块所能提供的最大输出电压和输出电流以及目标阻抗计算出来，公式如下：

通常情况下，计算出来的变比并非整数值，如果选择的变比大于理想值，则输出受Vout＿peak的影响；如果选择变比小于理想值，则输出受Iout＿peak的影响。使用中我们选取模块的供电电压为15V，也 就 是Vout＿peak为6V，Iout＿peak为1.5A，Rload根 据PRIME协议规定，驱动负载的阻抗为2Ω，最终计算出来变比为1.4，根据实际需求我们选择使用1.5变比的变压器。

高压隔离电容主要能阻止低频市电信号，在实际应用中，高压隔离电容的耐压值要大，容值可以通过一定的公式进行计算。这里我们使用容值为470nF、额定电压为275V的安规电容。在传输电路中，470nF电容在40kHz频率时会有8.5Ω的电阻，按照标准要求我们需要驱动2Ω的负载，为了有更好的驱动性能，降低电容中消耗的阻抗，需要添加一个电感形成谐振，降低电路阻抗。此处我们选用15μH、3A的电感。

2 PRIME自动升级测试

2.1 PRIME网络结构说明

在PRIME协议所制定的网络结构中，网络由Base Node和Service Node组成，其中Base Node为网络中的主节点，Service Node为辅节点，一个网络中只能有一个主节点，但是可以有很多个辅节点。Base Node作为网络中的主节点，负责网络中所有Service Node的管理，包括Service Node的注册、自动中继、升级等。

2.2 自动升级功能测试

实际测试过程中，我们使用了18个Service Node和1个Base Node，18个Service Node节点标号为1～18。为了使网络能模拟出4级网络路由深度，需要使用9个衰减器。使用了串行的连接方式连接1个Base Node和4个Service Node，然后连接2个衰减器，继续连接4个Service Node，再连接2个衰减器，这样延续下去，形成4级网络结构，其中，节点1～8属于1级网络结构，节点9～12属于2级网络结构，节点13～16属于3级网络结构，节点17和18属于4级网络结构。网络结构形成后，将进行升级功能测试，升级功能分为点对点升级和群波升级，下面分别对这2种模式进行测试。

2.2.1 点对点升级测试

点对点升级由Base Node发起之后将进入数据的收发状态，这里我们测试Base Node对每一级的某个节点进行升级所发送的数据包数和花去的时间（表1）。

表1 点对点升级所发送的数据包数和花去的时间

从表1中的数据可以看出，对LEVEL1级中的节点进行升级所消耗的时间最少，传输过程中丢失的包也最少；但是传输总包数并没有随着级数的增加而增加，说明在存有中继节点的网络中，中继节点能很好地将数据传输到后一级去，而消耗时间的增加说明传输路径长度的增加消耗了一定的时间。

2.2.2 群波升级测试

接下来我们对所有的Service Node进行群波升级，并测试了发送的数据包数和升级所需要的时间（表2）。

表2 群波升级所发送的数据包数和花去的时间

在群波升级的状态下，由于节点较多，每个节点所丢失的包数也不一样，所以传输的总包数比较多，这样消耗的时间也比较长。但总的来说，所有的节点都能在Base Node的管理下进行成功升级。

3 结语

本文结合PRIME协议中要求的自动升级功能，制作了一套基于PRIME的电力线载波系统，并对其升级功能进行了相关测试。传统的电力线传输协议并没有远程升级这一功能，这样不利于远程电表的协议升级，而现在PRIME协议中规定了这一功能。从测试结果来看，Base Node能够对每一级的任意节点进行单波升级，也能够对所有模块进行群波升级。1级网络数据传输需要10～20min，2级网络需要30～40min，3级网络需要50～60min，4级网络需要90～100min，而进行全级网络的群波升级则需要130min，从时间上来看，这个升级时间能够满足需求，而且升级过程由Base Node远程自动完成，需要人为操作的比较少。传统的载波传输协议没有这一功能，如果需要进行升级必须人为进行更换；而PRIME协议的自动升级功能能够很好地解决这一问题。